Слабые взаимодействия

К концу 1950-х — началу 1960-х годов, когда открытие новых частиц перестало быть чем-то из ряда вон выходящим, физикам стало все сложнее нащупывать грань между возможным и невозможным. В их лексиконе появилось слово «зоопарк», а научная интуиция часто вступала в конфликт с эстетическим чувством. На одном из собраний Вайскопф заявил, что, если в ближайшее время кто-то откроет частицу с двойным зарядом, его это очень расстроит. Оппенгеймер добавил, что лично ему не понравилась бы сильно взаимодействующая частица со спином более 1/2. Обоих вскоре ждало разочарование. Природа не была столь придирчивой.

Многим не нравились методы, всего несколько лет тому назад собранные под общим названием теории поля, — прямой расчет взаимодействия частиц при наличии бесконечностей, по-прежнему остававшихся камнем преткновения для ученых. В других областях физики частиц исследования не были столь успешными, как в квантовой электродинамике. Из четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, гравитационного, сильного (формирующего атомное ядро) и слабого (отвечающего за радиоактивный бета-распад и распад странных частиц) — перенормировка оказалась эффективна лишь применительно к первому. Для объяснения электромагнетизма было достаточно простейших диаграмм Фейнмана. Но по мере ослабления силы взаимодействия более сложные схемы оказывались все менее применимы математически (по той же причине в ряде типа 1 + n + n² + … дальнейшие члены исчезали, если n = 1/100). Для расчетов сильного взаимодействия уже требовался целый лес фейнмановских диаграмм, и это бесконечно усложняло любые вычисления. Получить реальный результат становилось невозможно. Квантовая электродинамика позволяла делать удивительно точные динамические прогнозы; однако там, где действовали более сложные силы, нельзя было применить столь же успешный метод: его попросту не существовало. Симметрии, законы сохранения и квантовые числа складывались в абстрактные принципы, служащие для упорядочения экспериментальных данных. Ученые искали в них логику, пытаясь заполнить пробелы и выстроить систему. Физики, использовавшие математический метод, обособились в отдельную группу и продолжали работать с теорией поля, но большинство теоретиков предпочитали иметь дело с данными о частицах и искать общие принципы. Эти данные поступали в огромных объемах. Поиск симметрий означал, что ученые не были больше привязаны к микроскопической динамике поведения частицы. Если физик-теоретик продолжал записывать динамические показатели и размеры, теперь это считалось занятием почти пред­осудительным или как минимум глупым.

По мере углубления в симметрию также пришло осознание, что идеального равновесия не существует: чем больше внимания уделяли изучению ее законов, тем яснее становилось, что они не абсолютны. Отчетливее всего это было видно на примере самой явной из симметрий: право — лево. Человеческое тело кажется ее образцом, но это не совсем так. Любой врач скажет, что она нарушается смещением от центра сердца и печени, а также множеством тонких и незаметных различий. Мы и сами нарушаем эту симметрию, на бессознательном уровне усваивая разницу между правой и левой сторонами. Фейнман как-то признался группе ученых, собравшихся на чашку кофе в лаборатории Калтеха, что до сих пор интуитивно ищет родинку на тыльной стороне левой ладони, когда хочет определить, где правая и левая сторона. А в свою бытность в МТИ он размышлял над классическим ребусом зеркальной симметрии: почему в зеркале меняются местами лишь лево и право, но не верх и низ? Почему буквы в книге выглядят перевернутыми, но не опрокинутыми, а у двойника Фейнмана в зеркале родинка на правой руке? Возможно ли вывести теорию зеркального отображения, которая могла бы дать обоснование не только право- и левосторонней симметрии, но и симметрии «верх — низ»? Над этой загадкой раздумывали многие логики и ученые. Существует множество версий ее разгадки, и некоторые из них верны. Фейнман предложил предельно четкое объяснение.

Представьте, что стоите перед зеркалом, одной рукой указывая на восток, а другой — на запад. Махните «восточной» рукой. Отражение в зеркале махнет в том же направлении. Голова изображения находится наверху. «Западная» рука — на западе. Ноги стоят на земле. «Вроде бы все нормально», — говорит Фейнман. Проблема в оси, проходящей перпендикулярно зеркалу. Нос и ладонь оказываются перевернутыми: если нос повернут к северу, нос вашего двойника будет указывать на юг. И тут проблема становится психологической. Мы воспринимаем свое изображение в зеркале как другого человека. Поскольку мы не можем представить себя вывернутыми наизнанку, то представляем, будто прошли через зеркало, развернулись и встали к себе лицом. В процессе этого «разворота», который происходит только в нашей голове, право и лево меняются местами. То же происходит с книгой. Строки в книге идут справа налево, потому что мы поворачиваем книгу по вер­тикальной оси лицом к зеркалу. С таким же успехом можно было бы повернуть ее вверх ногами — и тогда строки перевернулись бы.

Индивидуальные нарушения симметрии — родинки, расположение сердца, право- и леворукость — являются следствием случайного выбора, сделанного природой в процессе создания сложных организмов. Право- и леворукость в биологии закладываются на уровне органических молекул, которые могут иметь свои предпочтения. Таким свойством обладают, к примеру, молекулы сахаров, напоминающие винт с левой или правой резьбой. Химики могут создать любые молекулы сахара, но бактерии переваривают лишь «праворукие» сахара — те, что производятся из сахарной свеклы. Обычной сахарной свеклы, хотя эволюция могла с таким же успехом сделать эти молекулы «леворукими», как и в ходе индустриальной революции большее распространение могли бы получить винты с левой, а не правой резьбой.

Что касается микромасштаба — уровня взаимодействия элементарных частиц, — физики решили, что здесь природных различий между правой и левой стороной существовать не может. Казалось невообразимым, что в зеркальном отображении законы физики будут меняться; ведь не меняются же они, когда эксперимент проводят в другое время или в другом месте? Разве может нечто столь бестелесное, как частица, обладать правой или левой «резьбой», подобно винту или клюшке для гольфа для право- или леворуких? В квантовой механике симметрия сторон существовала под видом величины, называемой четностью. Если квантовое событие сохраняло четность (а большинство физиков предполагали, что так должно быть), его исход не зависел от пространственной ориентации. И наоборот, если природа вдруг наделяла частицы «рукостью», экспериментатор приходил к выводу, что четность в данном событии не сохранялась. Когда Мюррей Гелл-Манн учился в аспирантуре МТИ, ему нужно было решить программную задачу одного из курсов: вывести сохранение четности математическим методом, переведя координаты из левоориентированной системы в правоориентированную. Гелл-Манн потратил целые выходные, но так и не выполнил задание. Потом он сказал преподавателю, что сама задача сформулирована неверно: сохранение четности — физический факт, рассматриваемый в рамках конкретной теории, а не абсолютная математическая истина.

Четность вновь стала головной болью физиков-теоретиков в 1956 году, когда экспериментальные данные, полученные из ускорителей, породили новую насущную проблему. Это была проблема тета-тау — двух странных частиц (согласно терминологии Гелл-Манна). Ученые столкнулись с типичными сложностями, каждый раз возникавшими при попытке структурировать ворох разрозненных данных из ускорителей. При распаде теты возникала пара пионов. При распаде тау — три пиона. Но во всем остальном тета и тау вели себя подозрительно схоже. Данные, полученные из космических лучей, а затем и из ускорителей, свидетельствовали, что масса и время жизни этих частиц были одинаковыми. Один экспериментатор в 1953 году зафиксировал тринадцать подобных фактов, а в 1956-м, к Рочестерской конференции, — уже более шестисот. Теоретики были вынуждены признать очевидное: тета и тау — на самом деле одна частица. Единственной проблемой оставалась четность: пара пионов была четным числом, тройка — нечетным. Если предположить, что при распаде частицы четность сохраняется, физикам ничего не оставалось, кроме как считать тау и тету разными частицами. Это жестоко противоречило их интуиции. Вскоре после окончания Рочестерской конференции Абрахам Пайс написал: «В поезде из Рочестера в Нью-Йорк я и профессор Янг поспорили с профессором Уилером на доллар, что тета- и тау-мезоны — две разные частицы; так профессор Уилер заработал два доллара».

Пари заключали все. Один из физиков спросил Фейнмана, насколько возможным тот считает получение в ходе эксперимента такого немыслимого результата, как нарушение принципа четности. Позднее Фейнман гордо вспоминал, что оценил шанс подобного исхода как пятьдесят к одному. Уже в Рочестере он сказал, что его сосед по гостиничному номеру, экспериментатор Мартин Блок, задался вопросом, а почему, собственно, четность не может нарушаться. (Позднее Гелл-Манн безжалостно подтрунивал над Фейнманом за то, что он задал вопрос от чужого имени.) В ответ кто-то нервно пошутил, что нельзя отметать даже самую невероятную возможность, а в официальном протоколе значилось:

«Допуская самый невероятный исход, Фейнман задал вопрос от имени Блока: возможно ли, что тета и тау являются двумя состояниями одной и той же частицы, не сохраняющей четность? Другими словами, возможно ли, что природа нашла уникальный способ предначертать право- и лево­ориентированность?»

Двое молодых физиков, Чжэньнин Янг и Чжэндао Ли, заявили, что начали исследовать эту проблему, но пока не пришли к конкретным выводам. Участникам конференции была настолько не по нраву идея нарушения четности, что один ученый выдвинул идею о существовании некой неизвестной частицы, которая покидала место взаимодействия тета-тау, не имея ни массы, ни заряда, ни импульса. Она лишь несла с собой «некие странные пространственно-временные трансформирующие свойства», как уборщик, вывозящий мусор на тележке. Гелл-Манн на это заявил, что не следует исключать другие, менее радикальные способы решения проблемы. Дискуссия продолжалась до тех пор, пока «председатель конференции» Оппенгеймер «не счел необходимым прервать этот полет фантазии».

Тем временем робкое предположение Фейнмана получило развитие. Ли и Янг начали исследовать данные. Для электромагнитного и сильного взаимодействия закон четности имел реальную экспериментальную и теоретическую основу: без сохранения четности упорядоченная система разваливалась. Однако для слабого взаимодействия, казалось, существует совсем другой закон. Ли и Янг прошерстили авторитетные тексты по бета-распаду, проверили формулы, изучили новейшую экспериментальную литературу по странным частицам и летом 1956 года пришли к выводу, что при слабом взаимодействии сохранение четности является не чем иным, как предположением, не имеющим прочной основы в виде результатов экспериментов или рациональной теории. Мало того, они поняли, что концепция странности Гелл-Манна представляет собой прецедент: при сильном взаимодействии симметрия сохраняется, при слабом — разрушается. Не откладывая в долгий ящик, они опубликовали работу, в которой уже официально заявляли о возможности нарушения четности при слабом взаимодействии и предлагали провести эксперимент, подтверждающий эту гипотезу. К концу года такой эксперимент провела группа ученых под началом Цзяньсюн Ву, коллеги Янга и Ли из Колумбийского университета. Это была непростая задача: ученые следили за распадом радиоактивного изотопа кобальта в магнитном поле при температуре, близкой к абсолютному нулю. «Верх» и «низ» в эксперименте определяло направление магнитной катушки: распадающийся кобальт «выстреливал» электроны либо симметрично влево и вправо, либо демонстрируя определенное предпочтение. Поджидая результаты эксперимента, Паули в Европе присоединился к спорщикам, он писал Вайскопфу: «Я не верю, что Господь — слабак и левша, и готов поставить круглую сумму, что эксперимент покажет симметричный результат». Но уже через десять дней обнаружилось, что он ошибался, а через год Янг и Ли получили Нобелевскую премию — и никогда еще между совершением открытия и вручением премии не проходило так мало времени. И хотя результаты этого исследования по-прежнему оставались непонятными для многих физиков, их важность была несомненна: оказалось, что природа действительно различает право и лево в самых глубинных своих основах. Ученые тут же взялись за рассмотрение других симметрий: материи и антиматерии, обратимости времени (если пленку с экспериментом прокручивали от конца к началу, с точки зрения физики все выглядело правильно, только право и лево менялись местами). Как сказал один физик, «мы больше не пытаемся закручивать болты в темноте в плотных рукавицах. Теперь болты подносят нам аккуратно разложенными на подносе, и на каждом есть стрелочка с указанием направления резьбы».

В научном сообществе, занимающемся физикой высоких энергий, Фейнман был странной фигурой. Он был старше блестящих ученых одного поколения с Гелл-Манном, но моложе нобелевских лауреатов уровня Оппенгеймера. Не уклонялся от дискуссий, но и не инициировал их. Остро интересовался текущими проблемами (как показывают его вопросы, касающиеся проблемы четности), но поражал молодых физиков своим равнодушием к новейшим концепциям, особенно в сравнении с Гелл-Манном. На конференции 1957 го­да как минимум одному участнику пришло в голову, что Фейнман мог бы применить свой талант теоретика и решить вопрос, заданный им же год назад, а не отдавать пальму первенства Янгу и Ли. (Тот же участник заметил, что физики погрязли в самооправданиях: теоретики от Дирака до Гелл-Манна «наперебой уверяли, что никогда не считали закон четности чем-то важным», а экспериментаторы вдруг вспомнили о своих намерениях провести эксперимент, подобный опыту мадам Ву.) Внешне Фейнман выглядел абсолютно спокойным, как и всегда, но вдали от любопытных глаз терзался из-за своей неспособности найти проблему, достойную изучения. Он стремился держаться подальше от популярных исследовательских направлений. Понимал, что безнадежно отстал и не в курсе даже опубликованных наработок Гелл-Манна и других физиков высоких энергий, но не мог заставить себя прочитать научные журналы и рукописи, которые ему ежедневно приносили и которые накапливались у него на полках. Каждая из этих работ напоминала ему детектив, где последняя глава идет в самом начале. Ему же хотелось, прочитав завязку, узнать достаточно, чтобы уяснить проблему и самостоятельно ее решить. Среди физиков он был почти единственным, кто отказывался рецензировать научные работы для журналов. Следить за чужой мыслью от начала до конца, наблюдая за процессом решения проблемы со стороны, казалось ему невыносимым. (Нарушив же собственное правило, он мог быть крайне жестоким. Например, в рецензии на одну статью он написал: «Мистер Берд весьма опрометчиво поступает, приводя в своей работе так много ссылок на другие научные труды; ведь если кто-то из его студентов заглянет в один из этих трудов, он никогда больше не станет читать работу Берда». Потом он умолял редактора не сообщать автору статьи о его отзыве: «Ведь мы с мистером Бердом хорошие друзья».) Зацикленность Фейнмана на поиске необычных, нестандартных путей обижала даже тех его коллег, которых он хотел похвалить. Например, он восхищался открытием, которое считалось второстепенным, или проявлял интерес к альтернативной версии теории, казавшейся недостойной внимания или слишком своеобразной. Некоторые теоретики стремились сотрудничать с коллегами, тем самым задавая тон и направление исследований для целых групп ученых. Гелл-Манн предпочитал работать именно так. Но Фейнману подобная манера была не по нраву; хотя его диаграммами пользовалось целое поколение физиков, он все равно был недоволен.

Иногда он делился своими переживаниями с сестрой Джоан, которая тоже начала строить научную карьеру: училась в докторантуре в Сиракузском университете и специализировалась на физике твердого тела. Фейнман наведывался к ней в Сиракузы, когда ездил в Рочестер. Он жаловался ей, что не может работать. А она напоминала ему о тех идеях, которыми он когда-то с ней делился, а потом бросал, так и не описав их в научных публикациях. «Ты делаешь это постоянно, — повторяла она. — Помнишь, ты говорил мне, что Блок, вероятно, прав? И что ты сделал, чтобы подтвердить его предположение? Когда тебе в голову приходят такие идеи, ради всего святого, записывай их!» Также Джоан вспомнила, что однажды он, размышляя о возможной связи между бета-распадом и распадом странных частиц под влиянием слабого взаимодействия, поделился с ней идеей создания универсальной теории слабых взаимодействий, и призвала его продолжить исследования, чтобы посмотреть, куда приведет эта нить.

В результате классического бета-распада нейтрон превращается в протон, выделяя электрон и нейтрино — еще одну частицу, не имеющую массы и заряда, которую очень трудно обнаружить. Заряд при этом сохраняется: у нейтрона его нет; у протона +1, у электрона –1. В семействе мезонов происходит то же самое: при распаде пиона образуются мюон (частица наподобие электрона, но более тяжелая — в 207 раз) и нейтрино. При наличии хорошей теории можно было бы предсказать как скорости распада в таких процессах, так и энергетические уровни выделяемых частиц. Однако существовали сложности. Необходимо было согласовать спины частиц, а при расчете спинов возникала проблема с их направлением. Особенно явно это проявлялось у безмассовых нейтрино. Поэтому открытие нарушения четности мгновенно преобразило теорию слабых взаимодействий для Фейнмана, Гелл-Манна и других ученых.

Анализируя различные виды взаимодействия частиц, теоретики создали систему классификации, включавшую пять отчетливых трансформаций волновых функций. В каком-то смысле это была систематизация известных алгебраических техник; но ее также можно было назвать классификацией типов виртуальных частиц, возникавших в различных взаимодействиях на основе спинов и четности. Физики использовали сокращения S, T, V, A и P, обозначавшие скалярные, тензорные, векторные, векторно-осевые и псевдоскалярные частицы. Различные виды слабых взаимодействий обладали очевидным сходством, но в связи с этой схемой классификации возникал вопрос. На Рочестерской конференции 1957 года Ли отметил, что для большинства опытов с бета-распадом характерно скалярное и тензорное взаимодействия, однако в новых экспериментах с нарушением четности при распаде мезонов чаще проявляется векторный и векторно-осевой тип. Все это указывает на то, что в первом и втором случае действуют разные законы физики.

Читая статью Ли и Янга накануне конференции — Джоан велела ему сесть за стол, как студенту, и прочесть публикацию от корки до корки, — Фейнман увидел альтернативный способ сформулировать закон нарушения четности. Ли и Янг описали ограничения, связанные со спином нейтрино. Фейнману эта идея понравилась, и, урвав пять минут у другого выступающего, он упомянул об этом. Затем вернулся к истокам квантовой механики — не только к уравнению Дирака, но и к уравнению Клейна — Гордона, которое они с Велтоном вывели, будучи аспирантами МТИ. Используя интегралы по траекториям, он пошел дальше и получил — или открыл — уравнение, слегка отличающееся от дираковского. Это было более простое равенство из двух компонентов (у Дирака их было четыре). «И я задал себе такой вопрос, — сказал Фейнман. — Что, если бы мое уравнение возникло раньше уравнения Дирака? Ведь оно имеет абсолютно те же следствия и для его описания тоже можно использовать диаграммы».

В диаграммах, описывающих бета-распад, добавлялось поле нейтрино, взаимодействующее с полем электрона. Когда Фейнман внес в свое уравнение необходимые изменения, он сделал вывод, что «этого, разумеется, сделать нельзя, потому что нарушается четность. Но так как при бета-распаде четность не сохраняется, то это возможно!»

Оставались две сложности. Первая: спин у Фейнмана получился с противоположным знаком. Нейтрино должен был иметь спин, противоположный предсказанному Ли и Янгом. Вторая: в формуле Фейнмана использовалось векторное и векторно-осевое взаимодействие, а не скалярное и тензорное, которые, как известно, были верными.

Тем временем проблема создания теории слабых взаимодействий занимала не только Фейнмана, но и Гелл-Манна. И они были не единственными: Роберт Маршак и его молодой коллега Джордж Сударшан также склонялись к тому, что правильными были векторное и векторно-осевое взаимодействия. Именно Маршак впервые предположил, что существует два типа мезонов, — это произошло на конференции в Шелтер-Айленде в 1947 году. А летом 1957 года, пока Фейнман был в Бразилии, Маршак и Сударшан встретились с Гелл-Манном в Калифорнии и изложили ему свою теорию.

Фейнман вернулся в конце лета, решив в кои-то веки изучить последние результаты лабораторных исследований и довести до конца свою теорию слабых взаимодействий. Он посетил лабораторию Ву в Колумбийском университете и попросил экспериментаторов из Калтеха сообщать ему все данные, которые они получали в последнее время. В данных царил полный кавардак, одно противоречило другому. Один из калтеховских физиков сказал, что Гелл-Манн даже начал задумываться о правильности не скалярного, а векторного взаимодействия. Как позднее вспоминал Фейнман, именно это предположение навело его на верную мысль.

«В тот самый момент я вскочил со стула и воскликнул: “Тогда все ясно! Я понял, в чем дело, и завтра утром вам все объясню”. Они тогда подумали, что я шучу. Но я не шутил. Мои мысли освободились от ограничивающего их стереотипа, будто все, что мне нужно, — скалярное и тензорное взаимодействие; моя теория допускала возможность векторного и векторно-осевого произведения — и это был правильный ответ, точный и безупречный».

Он набросал черновик публикации за пару дней. Однако Гелл-Манн решил, что тоже должен написать работу. По его мнению, у него были свои причины сосредоточиться на векторном и векторно-осевом взаимодействии: он хотел вывести универсальную теорию. Электромагнитное взаимодействие зависело от векторной связи, а странные частицы «предпочитали» векторное и векторно-осевое. К тому же ему не нравилось, что Фейнман, казалось, столь легкомысленно пренебрегает своими идеями.

Тут в дело вмешался декан физического факультета Роберт Бахер. Он не хотел, чтобы между учеными росла напряженность и чтобы два физика Калтеха создали противоборствующие версии одного открытия, поэтому попросил Фейнмана и Гелл-Манна написать совместную работу. В университетских коридорах и столовой коллеги напрягали уши, пытаясь уловить хотя бы обрывки разговоров Фейнмана и Гелл-Манна, поглощенных обсуждениями. Несмотря на различия в подходах, они мотивировали друг друга. Фейнман говорил: «Смотри, вот эта штука пролетает вот здесь, и остается только слепить всё вместе — вот так». Гелл-Манн перефразировал: «Заменяем элементы и интегрируем». Их статья вышла в Physical Review в сентябре — за несколько дней до того, как Маршак и Сударшан представили аналогичную теорию на конференции в итальянском городе Падуя. Но теория Фейнмана и Гелл-Манна оказалась глубже во многих важных аспектах. Она распространяла принципы, управляющие процессом бета-распада, на другие типы взаимодействия частиц; многие годы спустя их провидческие данные полностью подтвердились экспериментально. Они также выдвинули идею о том, что существует вид тока, подобного электрическому (потоку электрического заряда), который имеет свойство сохраняться; развитие этой концепции стало главным инструментом в физике высоких энергий.

Фейнман позднее вспоминал их сотрудничество. Гелл-Манну оно далось нелегко; особенно ему не нравились двухкомпонентные формулы: он считал их ужасным способом исчисления. Работа, безусловно, носила фейнмановский отпечаток: он применял формулы квантовой электродинамики, которые использовал еще в своем первом исследовании 1948 года, посвященном интегралам по траекториям. Гелл-Манн позволил ему вставить в текст примечание личного характера: «Один из авторов представленной работы всегда питал особое пристрастие к этому уравнению». Зато фразы вроде «подход авторов к нарушению четности имеет определенную степень теоретически разумного обоснования» были совершенно не в стиле Фейнмана. Очевидным было и стремление Гелл-Манна представить теорию как максимально универсальную и передовую. В сравнении с другими важнейшими открытиями современной физики их находка была более глубокой и менее понятной. Но если бы Фейнман, Гелл-Манн, Маршак и Сударшан не совершили это открытие в 1957 году, скоро это сделал бы кто-то другой. Однако для Фейнмана суть этого открытия, как и любого другого достижения в его карьере, состояла в первую очередь в познании законов природы. Образцом для подражания ему всегда служил Дирак и его «волшебное» уравнение, описывающее движение электрона. Теперь можно было в определенном смысле сказать, что Фейнман открыл такое же уравнение для нейтрино. «В какой-то момент я понял, как работает природный механизм, — вспоминал он. — Я увидел в этом элегантность и красоту. Это было как озарение».

Для других физиков «Теория взаимодействия Ферми» длиной всего шесть страниц стала маяком в мире научной литературы. Казалось, она возвещала о начале плодотворного сотрудничества двух великих умов, идеально дополнявших друг друга. Оба занимали четкую теоретическую позицию, неоднократно заявляли об универсальности, простоте, сохранении симметрии, широком спектре применения теории в будущем. Оба исходили из общих принципов, а не из частных расчетов динамики, и делали ясные предсказания относительно новых видов распада частиц. Они перечисляли эксперименты, противоречащие их теории, и утверждали, что эти эксперименты ошибочны. Никогда еще теоретическая физика столь блестяще не заявляла о своем превосходстве.

Жизнь семейная

В 1958 году купальный костюм бикини, состоявший из двух частей и названный так в честь крошечного тихоокеанского атолла, где в 1940–1950-е годы проводились испытания атомных и водородных бомб, еще не завоевал популярность на американских пляжах. Но Фейнман увидел девушку в таком костюме на песчаном берегу Женевского озера и расположился рядом. Он приехал в Женеву на конференцию ООН по мирному применению атомной энергии. Фейнман готовил выступление от своего имени и имени Гелл-Манна и вот что собирался сказать собравшимся:

«Мы прекрасно отдаем себе отчет в том, как хрупки и неполны наши знания на данном этапе, и осознаём, какое многообразие возможностей, пока существующих лишь в теории, открывается перед нами… Какова значимость системы, объединяющей все эти взаимосвязанные симметрии, частичные симметрии и асимметрии?»

В том году ежегодная Рочестерская конференция проводилась не в Рочестере. Фейнман выступил с докладом о теории слабых взаимодействий, поразив слушателей экспрессивными жестами, с помощью которых наглядно изображал спины частиц и их четность. Ему только что исполнилось сорок лет. Стояла весна, и девушка в голубом бикини сказала, что вода в Женевском озере еще холодная. «Вы говорите по-английски?» — удивился он. Оказалось, что ее зовут Гвинет Ховарт, и родом она из деревни в английском Йоркшире. Девушка путешествовала по Европе и подрабатывала няней. Тем же вечером он пригласил ее в ночной клуб.

Между тем информация об открытии нарушения четности промелькнула в газетах. Для читателей, следивших за научными исследованиями и стремившихся лучше понять природу Вселенной, нарушение симметрии могло бы стать важным уроком из области физики высоких энергий, несмотря на то, что существовало лишь в сфере взаимодействия частиц с очень коротким временем жизни. Однако универсальная теория слабых взаимодействий и замена скалярного и тензорного взаимодействия векторным и векторно-осевым не оказали никакого влияния на культурное сознание, хоть и привлекли внимание ученых год спустя. Дело в том, что в 1958 году умы американской общественности занимало другое, более шокирующее научное открытие — новость, в очередной раз подтвердившая реальную власть науки.

Четвертого октября 1957 года на земную орбиту вышла алюминиевая сфера величиной с надувной пляжный мяч. Это был первый спутник. Неожиданное присутствие этого предмета над головами американцев и его беззаботный сигнал — бип, бип, бип, — постоянно звучавший по американскому радио и телевидению, породили у населения волну беспокойства, сравнимую с эффектом от взрыва атомной бомбы. (Вечером 4 октября Фейнман пришел на пикник, который биолог Макс Дельбрюк устроил у себя на заднем дворе, и принес с собой маленький серый радиоприемник, по-видимому самодельный. Попросил провод, быстро настроил приемник, поднял палец, призывая к тишине, и улыбнулся, услышав сигнал «бип, бип, бип».) «Красная Луна взошла над Штатами», — прокомментировал журнал Time, немедленно возвестив о начале «новой эры в истории» и «очередной мрачной главы в холодной войне». Newsweek назвал запуск спутника «красным наступлением», свидетельствующим о «превосходстве его создателей и в делах земных». Почему в США не было столь же успешной космической программы? На пресс-конференции обеспокоенный президент Эйзенхауэр сказал: «Буду откровенен. Я не ученый». Воспользовавшись шансом, директор Американского института физики заявил, что, если научное образование в США не догонит советское, «наш образ жизни обречен». Его услышали, и после запуска спутника все усилия были направлены на подготовку научных кадров. Внимание прессы обратилось на американских физиков. Time выделил Фейнмана как одного из многообещающих представителей молодого поколения:

«Кудряв и привлекателен, не носит галстук и пиджак, увлеченный путешественник… его очаровали ритмы самбы… играет на барабанах, разгадывает шифры, взламывает замки…»

Не остался в стороне и Гелл-Манн:

«Он сформулировал “теорию странности” — объяснил поведение новых частиц с точки зрения законов физики. В Калтехе Гелл-Манн тесно сотрудничает с Фейнманом, изучая теорию слабых взаимодействий. Стоя у доски, они искрят идеями, как два огнива; поочередно хлопают себя по лбу, увидев, как сосед пришел к более простому решению, и спорят из-за деталей».

Но самое пристальное внимание общественности той осенью было приковано к Эдварду Теллеру, напряженно следившему за ходом холодной войны. После запуска спутника Теллер заявил: «Мы упускаем пальму научного и технического первенства» (хотя его заявление не имело под собой конкретных оснований; напротив, были свидетельства, доказывавшие обратное). Он не только утверждал, что возможна прямая атака Советского Союза, но и упоминал о более серьезной угрозе. «Полагаю, они нанесут нам удар другим способом», — говорил он. Теллер считал, что не за горами техно­логическое господство СССР над свободным миром. «Их продвижение в науке будет таким быстрым и оставит нас так далеко позади, что весь мир начнет жить по их правилам, и мы ничего не сможем сделать».

С приходом зимы смятение не ослабло, и вышедшая в Readerʼs Digest статья под заголовком «Не время для истерии» не встретила понимания. Чиновник из Госдепартамента наведался в Калтех и сообщил, что было бы весьма желательно, чтобы Фейнман и Гелл-Манн выступили на Женевской конференции в качестве противовеса советским ученым. Фейнман согласился, хотя ему было неприятно, что к науке примешивается пропаганда.

Когда Госдепартамент предложил зарезервировать для него гостиницу, он отказался и сам нашел себе жилье — комнату в заведении под названием «Отель-сити»; эта гостиница напомнила Фейнману ночлежки в Альбукерке, где они с Фрименом Дайсоном останавливались во время дорожного путешествия. Он надеялся взять с собой женщину, с которой у него уже год был бурный роман, хотя их встречи и носили эпизодический характер: она была женой его коллеги-ученого. Летом 1957 года, когда Фейнман работал над теорией слабых взаимодействий, она уже ездила с ним в путешествие; теперь она согласилась встретиться после конференции в Англии, но ехать в Женеву отказалась. А он в это время встретил на пляже Гвинет Ховарт.

Гвинет рассказала, что путешествует по миру. Ей двадцать четыре года, ее отец — ювелир из маленькой йоркширской деревушки Рипонден. В Рипондене она работала библиотекарем и получала три фунта в неделю; потом устроилась на хлопковую фабрику — проверяла качество пряжи, — но решила, что жизнь в глубинке слишком скучна. Она сразу сообщила Фейнману, что у нее есть два бойфренда: полупрофессиональный бегун из Цюриха, вечно пропадающий на тренировках, и немец, оптик из Саарбрюкена. А он тотчас пригласил ее в Калифорнию и предложил работу: мол, ему нужна горничная. Пообещал помочь с оформлением иммиграционных документов и платить ей двадцать долларов в неделю. Ей показалось, что сорокалетние мужчины так себя не ведут; Фейнман также не был похож на других американцев, которых она встречала. Гвинет ответила, что подумает; так началось это необычное ухаживание.

«Я решила все-таки остаться здесь, — написала она ему в том же году. Йоханн, один из двух ее ухажеров, решил на ней жениться — видимо, из ревности. — Как видишь, встреча с тобой сослужила мне хорошую службу… мы с Йоханном долго говорили и планировали совместную жизнь. Вначале нам, наверное, придется ютиться в одной комнате… А ты и правда думал, что я приеду? Тебе бы жениться еще раз или найти почтенную даму средних лет, которая вела бы хозяйство, чтобы люди не сплетничали».

Между тем личная жизнь Фейнмана не клеилась. На той же неделе он получил письмо от своей пассии, которая ясно давала понять, что между ними все кончено, и требовала денег — пятьсот долларов, добавляя, что «вряд ли вернет их до конца года». Она и раньше просила у него денег — якобы на аборт, но теперь призналась, что лгала и на самом деле потратила их на обстановку и ремонт дома.

«Я не могу больше встречаться с таким плейбоем, как ты. Я была смущена и заинтригована, видя, какое действие ты оказываешь на женщин, которые звонили тебе в моем присутствии. Иногда ты бросал трубку, весь дрожа, с пеной у рта… Я знала, что ты способен на подлость и что ты не ценишь мою любовь и привязанность, поэтому хотела как-то компенсировать это ужасное чувство».

Она знала все о женщинах, с которыми он встречался после развода; знала даже слишком много. Она назвала четверых и рассказала о полученном ею анонимном письме, которое было адресовано «захватчице» и в котором говорилось: «Я знаю, что ты встречаешься с грязным Диком, чертовым извращенцем Фейнманом. Он никогда на тебе не женится. Скажи ему, что ждешь ребенка, и заработаешь 300–500 долларов».

Она была в шоке от грязных слухов, которые ходили среди физиков о нем и его женщинах; поговаривали даже, что он подцепил сифилис. «Тебе нужно жениться, — писала она. — Все низости, о которых ты говоришь, происходят оттого, что ты не женат. Приходя в ночные клубы и на стриптиз, ты сублимируешь свои желания. Для здорового мужчины это нормальное развлечение, но для неудовлетворенного жизнью — лишь временный побег от реальности. Я знаю об этом, потому что в прошлом году в Рио после успешных экспериментов с бета-распадом ты был счастлив…»

«Найди себе настоящую спутницу, ту, которую полюбишь и будешь уважать. Наслаждайся любовью, пока она еще свежа и спонтанна…»

Как-то раз эта женщина забрала у него золотую медаль, которую он получил вместе с Премией Эйнштейна. Медаль по-прежнему была у нее.

…Фейнман умолял Гвинет Ховарт передумать. А в ноябре случилось так, что Гвинет с Йоханном поссорились и она начала оформлять иммиграционные документы в Штаты через консульство в Цюрихе. Фейнман обратился к адвокату, и тот предупредил, что привозить женщин в США «с аморальными целями» опасно и лучше найти Гвинет работу на стороне. Коллега Фейнмана по Калтеху Мэтью Сэндс согласился подписать документы. Фейнман подсчитал расходы на дорогу (Гвинет заметила, что она столько не заработала библиотекарем в Йоркшире и за год): перелет до Лос-Анджелеса — 394 доллара 10 центов; либо самолет до Нью-Йорка — 290 долларов 10 центов плюс автобус до Лос-Анджелеса — 79 долларов 4 цента, включая налоги.

Она была взволнована, но все еще сомневалась. «Ты же сообщишь мне, если решишь снова жениться или появится другая причина, почему мне не стоит приезжать?» Гвинет хотела, чтобы он знал: у нее есть и другие варианты. Например, Армандо, с которым она познакомилась, катаясь на лыжах, или парень, который все время посматривает на нее на занятиях в школе иностранных языков («Он проводил меня почти до самого дома… мне бы хотелось, чтобы наши отношения оставались платоническими, но, боюсь, он другого мнения…»). Но при этом в ее письмах то и дело возникали картины будущей семейной жизни, к которой Фейнман в последнее время стремился всей душой. Например, она писала, что ухаживает за «чудесным ребенком»: «Как бы я хотела, чтобы у меня был такой же малыш!» Новый приятель по имени Энгельберт купил ей лыжи; она научилась готовить фазана, курицу, гуся и зайца под специальными соусами («Видишь, какие я делаю успехи?»).

Тем временем бывшая пассия не оставляла его в покое. Она все рассказала мужу, с которым переехала из Калифорнии на Восточное побережье. Ей нужны были деньги. К тому же она считала, что Фейнман ею воспользовался, злилась и не стеснялась писать ему об этом. «В своей особой сфере ты очень умен, но совершенно не разбираешься в человеческих отношениях», — заявила она. И добавила, что его золотая медаль «в надежном месте», как и экземпляр «Рубаи» Омара Хайяма с рисунками, аккуратно раскрашенными Арлин.

Фейнман уговаривал ее приехать. «Я упомянул о моем желании мести и других чувствах лишь для того, чтобы ты поняла, почему мне было бы трудно гарантировать тебе то, о чем ты просишь, — писал он. Он по-прежнему хотел на ней жениться. — Я знаю, что считается правильным, а что неправильным, но эмоции — злость, ненависть, жажда мести — как клубок змей в бочке, и лишь разум и доброе сердце не дают им вырваться наружу… Это пугает и внушает неуверенность. Но попробовать стоит».

Она отказалась встретиться, хотя ее захлестнули теплые воспоминания: как они строили песчаный замок на пляже с толпой мальчишек; ночевали в палатке под звездами в национальном парке Джошуа-Три, и Фейнман восторженно колдовал над ярко-зеленой газовой горелкой. Как однажды дождливым воскресным вечером он показал ей потрепанный чемодан, в котором хранились все письма и фотографии Арлин. И в то же время она помнила, как в приступе гнева он назвал ее проституткой — жестокое словесное оскорбление, которым бросался и раньше. «А мне, между прочим, нравились и моя работа, и мой начальник», — написала она.

А вот воспоминания ее мужа не отличались теплотой. Однажды в гостях он услышал, как кто-то рассказывает анекдот про Фейнмана, и выпалил, что знает историю получше, но тут же осекся. Через несколько дней он написал Фейнману письмо, требуя возмещения ущерба. «Вы грубо и беспринципно воспользовались своим положением и финансовыми возможностями, со­блазнив впечатлительную замужнюю женщину, — написал он. Неужели Фейнман забыл о своем первом браке, о том, как тяжело ему пришлось? — Из-за вас между мной и супругой возникло отчуждение. Вы обольстили ее своим вниманием и подарками, втайне планировали увлекательные путешествия… Я считаю, что вы должны заплатить за потворство своим эгоистичным желаниям». Он потребовал выплатить 1250 долларов. Фейнман отказался.

В это время Гвинет Ховарт писала, что Энгельберт принес на празднование ее двадцатипятилетия коньяк и шоколад; что она решила пойти на курсы стенографисток и машинисток. «Тебе же нужен кто-то, кто будет о тебе заботиться?» — спрашивала она. Фейнман отправил в консульство в Цюрихе письменное свидетельство, поручившись за нее и гарантируя ей финансовую поддержку в случае необходимости («Умная девушка с хорошим характером, прекрасно готовит и выполняет работу по дому»). Гвинет поблагодарила его, но тут же упомянула, что встретила араба, молодого человека с безупречными манерами, с которым у нее завязались любовные отношения. Теперь ей приходилось избегать встреч с Энгельбертом, чтобы тот не заметил след от засоса у нее на шее. Она продолжала оформлять иммиграционные документы: заполняла многостраничные анкеты, которые должны были гарантировать, что она не коммунистка; отвечала на вопросы, приводившие ее в ярость, — благонравна ли она и не отличается ли сексуальной распущенностью. Какой бюрократической логикой руководствовались власти США, требуя от нее заверений в целомудренности и высокой нравственности? По какому моральному праву они задавали эти вопросы?

Фейнман же пытался утихомирить мужа своей бывшей любовницы: «…Прости ее, и пусть она будет счастлива… ваша любовь станет лишь крепче и глубже после того, как вы избавитесь от обид и поймете, через что вам пришлось пройти».

«Хорошая мысль, — ответил муж, — но почему бы тебе самому не воспользоваться своим советом, раз ты так долго наслаждался общением с моей женой… И только не надо рассказывать об опыте своих родителей и общества — меня этим не проймешь». Он подключил к делу адвокатов, которые отправляли Фейнману письма с угрозами от его имени. Адвокаты Фейнмана, в свою очередь, посоветовали ему не соглашаться на выплату компенсации, полагая, что все само утрясется. Последнее слово оставалось за его бывшей возлюбленной.

«Надеюсь, ты счастлив со своей горничной. Теперь тебе всегда будет с кем заняться сексом. Кажется, я начинаю понимать, что ты имеешь в виду под “хорошими отношениями”. Вот только не пойму: почему ты так боишься брака? Для тебя это слишком скучно? Мне кажется, секс без любви не приносит удовлетворения и радости, которую испытываешь, когда желаешь счастья другому человеку, полностью доверяешь ему, говоришь правду и даришь свои чувства без остатка. Все остальное — похоть, совокупление, как у животных. Может, поэтому женщины сменяются у тебя так часто».

Через полгода она наконец вернула его медаль.

Когда Гвинет получила визу, то удивилась его восторженной реакции. «Ну наконец-то! — писал он. — Как же я обрадовался, узнав, что ты все-таки приезжаешь!»

«Ты нужна мне больше, чем когда-либо… Я чувствую, что с твоим приездом стану намного счастливее. Я тоже буду заботиться о тебе. Как только ты приедешь, я возьму на себя ответственность за то, чтобы ты была счастлива и ничего не боялась».

Повседневный быт Фейнмана был организован с максимальной простотой: ничто не должно было отвлекать его от работы. Когда летом 1959 го­да Гвинет Ховарт наконец приехала к нему, то обнаружила в его гардеробе пять одинаковых пар обуви, несколько темно-синих саржевых костюмов и белые рубашки, которые он носил с расстегнутыми верхними пуговицами. (Потом она незаметно, чтобы он постепенно привыкал, начала подсовывать ему цветные рубашки, начав с самых светлых пастельных тонов.) Радиоприемника и телевизора в доме не было. Фейнман носил ручку в нагрудном кармане рубашки, убирая ее в специальный защитный футляр, и имел привычку хранить ключи, билеты и мелочь в одном и том же кармане, чтобы не вспоминать, куда их положил.

Поначалу он никому не рассказывал о том, что Гвинет живет с ним, — лишь нескольким близким сотрудникам. Она, как и обещала, полностью взяла на себя заботы о хозяйстве. Фейнман души не чаял в своей красавице-служанке. Он научил ее водить и ездил на заднем сиденье автомобиля, уступив ей место за рулем. Гвинет переживала, что он считает ее легкомысленной; однако в его глазах она была рассудительной и независимой. Первое время она нарочно искала романтических встреч с мужчинами, и на смену немцу-оптику пришел биржевой брокер из Беверли-Хиллс. Гвинет и Ричард вместе посещали вечеринки и демонстративно уходили с них в разное время, как будто не жили под одной крышей. Но постепенно коллеги Фейнмана стали догадываться, что его отношения с Гвинет, казавшиеся исключительно деловыми, перерастают во что-то большее. Однажды — это случилось следующей весной — он понял, что рядом с ней чувствует себя счастливым, но не знает, как сделать следующий шаг. Тогда он дал самому себе срок в несколько недель и, отметив дату в календаре, решил, что, если к тому моменту его чувства не изменятся, он попросит руки Гвинет. По мере приближения этого дня сдерживаться становилось все труднее. Накануне вечером, не объясняя причины, он не давал ей спать до полуночи. И в полночь сделал предложение.

Они поженились 24 сентября 1960 года в роскошном отеле «Хантингтон» в Пасадене. Фейнман спрятал машину, чтобы никто не привязал к ней жестянки; через несколько минут после отъезда они встали на шоссе: в баке закончился бензин. «Вот тебе и начало семейной жизни», — усмехнулся он. Мюррей Гелл-Манн за несколько лет до этого взял в жены англичанку, с которой познакомился в Институте перспективных исследований; он шутил, что Фейнман повторяет за ним — тоже обзавелся женой-англичанкой и маленькой коричневой собачкой.

Фейнманы и Гелл-Манны купили дома по соседству в Альтадене. Этот пригород раскинулся к северу от кампуса, в окружении высоких холмов, задерживающих лос-анджелесский смог. Ричард часами обучал свою собаку Киви сложным трюкам; его мать, которая переехала в Пасадену, чтобы быть поближе к сыну, шутила: «Чем бы дитя ни тешилось». Гвинет развела сад с цитрусовыми деревьями и экзотическими цветами, которые никогда бы не пережили йоркширскую зиму. В 1962 году у них родился сын Карл; через шесть лет они удочерили девочку, Мишель. Друзьям Ричарда стало ясно, как сильно он хотел детей. Мюррей и его жена Маргарет иногда приходили в гости; в тот период у них с Фейнманами были самые теплые дружеские отношения. Одна картина навсегда врезалась Гелл-Манну в память: как его друг бросает шарики из скомканных газет в камин на растопку, превращая это незамысловатое действие в веселую игру. (А Фейнман обладал даром превращать в игру любое, самое банальное действие.) Собачка бегала взад-вперед по его команде, он радостно окликал Гвинет, и Мюррею чудилось в этих моментах что-то волшебное.

От квантовой электродинамики к генетике

«Привет, дорогая!

Мы с Мюрреем не спали до глубокой ночи и спорили, пока хватало сил. А проснулись уже над Гренландией…»

Фейнман и Гелл-Манн летели в Брюссель на конференцию, посвященную «нынешнему положению дел в квантовой электродинамике». Конференция пробудила ностальгию по былым временам. Приехал Дирак, и Фейнман снова получил возможность выступать вместе со своим давним героем. Впрочем, Дирак так до конца и не примирился с перенормировкой, позволившей избавиться от бесконечностей, которые были главной проблемой его старой теории. Перенормировка казалась ему подлым, лишенным основания трюком, приемом, который не имел отношения к физике и при помощи которого можно было просто-напросто выбросить из уравнения «неудобные» величины. Большинству физиков позиция Дирака казалась старческим неприятием нового — в данном случае новых идей, которые имели успех, в то время как его собственная теория развалилась. Он напоминал им Эйнштейна с его знаменитым ворчливым нежеланием принять квантовую механику — и, как и Эйнштейна, Дирака трудно было списать со счетов. Честные физики, по крайней мере, понимали его сомнения, даже если приписывали их возрастному ухудшению интуиции. Возраст плохо влиял на ученые умы. Жизненный опыт и накопленная вместе с ним мудрость не представляли ценности для науки. Фейнман остро и болезненно осознавал, насколько правдив шутливый стишок, авторство которого приписывалось самому Дираку и который время от времени кто-нибудь вывешивал на дверь своего кабинета в Калтехе.

Преклонный возраст — главный враг,

Что страх внушает физикам.

Уж лучше помереть, чем стать

Тридцатилетним шизиком.

Фейнман понимал претензии Дирака к перенормировке — возможно, лучше, чем кто-либо из его коллег, создателей новых методов. Квантовая электродинамика стала невиданным триумфом теоретической физики. Для того чтобы выполнить вычисления в первом-втором приближении, Фейнман и Швингер тратили часы и недели работы. Теперь эти расчеты можно было повторить совсем с другой, куда более совершенной степенью точности при помощи компьютеров и сотен фейнмановских диаграмм. Некоторые физики-теоретики и их аспиранты посвящали вычислениям годы своей карьеры. Они складывали и вычитали множество элементов, все глубже погружаясь в бесконечную череду расчетов. Кому-то такая работа казалась крайне неблагодарной: элементы формулы, положительные или отрицательные, выглядели огромными, а в конце все сводилось к аккуратному итоговому числу. Математический статус этих расчетов оставался неясным. С точки зрения математики было непонятно, сойдутся результаты или нет. Но при практических вычислениях в квантовой электродинамике они всегда сходились: все более точные ответы совпадали с результатами экспериментов, проведенных на все более чувствительном оборудовании. Пытаясь передать степень соответствия теории эксперименту, Фейнман приводил такое сравнение: представьте, что мы измеряем расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса с точностью до толщины человеческого волоса. Но в то же время его беспокоила нефизическая природа вычислительного процесса: бесконечные исправления вносились без какого-либо осмысления того, какая коррекция, большая или маленькая, потребуется в дальнейшем. «Мы вычисляем элементы формулы, как слепой ощупывает чужую комнату», — сказал он, выступая в Брюсселе.

Тем временем другие ученые начали использовать понятие перенормировки для того, чтобы выделить возможные теории поведения частиц, которые могут быть описаны законами квантовой электродинамики. Дайсон первым понял, что перенормировка может стать критерием оценки. С практической точки зрения при помощи теории, к которой применима перенормировка, можно было производить расчеты. «Обратите внимание, как хитро ученые обернули все в свою пользу, — заметил физик и историк Сильван Швебер. — Расхождения, которые прежде считались огромной помехой, теперь стали ценным преимуществом». Гелл-Манн и молодые физики-теоретики пользовались этой концепцией с большим успехом. «Нам необходим определяющий принцип — такой, как перенормировка, — чтобы отделить квантовую теорию поля, имеющую отношение к реальному миру, от бесконечного множества других квантовых теорий», — заявил Стивен Вайнберг годами позже, понимая, однако, что здесь напрашивается вопрос «почему». Почему он решил, что правильные теории можно будет просчитать? Почему природа должна облегчать жизнь физикам? Фейнман испытывал почти те же сомнения, что и Дирак, поэтому продолжал называть перенормировку «игрой в наперстки», «черт-те чем» и «надувательством».

К началу 1960-х годов он, казалось, потерял интерес к малоизученным областям физики высоких энергий. К тому времени в квантовой электродинамике настало затишье: она считалась проблемой решенной. На практике ее начали применять в физике твердых тел и прикладных сферах, например электротехнике; так, благодаря квантовой механике появился мазер — прибор, излучающий когерентные радиоволны высокой интенсивности в СВЧ-диа­пазоне, и его последователь — лазер. На некоторое время Фейнман погрузился в изучение теории мазеров, заложив ее основы при помощи своих интегралов по траекториям. Он также упорно работал над другой проблемой физики твердого тела — проблемой полярона, или электрона, движущегося в кристалле. Электрон искажает решетку кристалла и взаимодействует со своим полем деформации. Фейнман понял, что это типичный образец взаимодействия частицы с собственным полем. И снова его диаграммы и интегралы по траекториям нашли плодотворное применение. Но все это была работа незначительная; ее нельзя было назвать чем-то особенным, уникальным открытием физика, которого уже считали легендой (хотя Нобелевскую премию из года в год вручали все более молодым ученым, гораздо моложе Фейнмана).

Он никак не мог найти достойную тему для исследований. Его гонорар в Калтехе подняли до двадцати тысяч долларов, и он стал самым высокооплачиваемым сотрудником кафедры. Он благодушно замечал, что для физика-теоретика это многовато, и пора бы ему сделать что-то серьезное, заняться наконец «настоящей работой». Ему полагался год академического отпуска, но он не хотел путешествовать. Его друг Макс Дельбрюк — физик, занявшийся генетикой, — пытался заманить других теоретиков в свою группу в Калтехе, утверждая, что все самые интересные исследования теперь связаны с молекулярной биологией. И Фейнман решил: вместо того чтобы ехать в другую страну, он сменит поле деятельности.

В биологии не было разделения на теоретиков и практиков, так что лето 1960 года началось для Фейнмана с освоения азов лабораторной работы. Он учился выращивать штаммы бактерий на блюдцах, всасывать пипетками мельчайшие капли раствора, выявлять мутации и считать бактериофаги — вирусы, инфицирующие бактерии. Поначалу он проводил эксперименты лишь для того, чтобы овладеть техникой. В лаборатории Дельбрюка изучали главным образом генетику микроскопических живых существ, представлявших собой крошечные эффективные механизмы воспроизводства ДНК. Когда Фейнман прибыл в полуподвальный этаж Черч-Холла, где находилась лаборатория, самым популярным вирусом для изучения был бактериофаг Т4, растущий на обычном штамме кишечной палочки.

С тех пор как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик описали структуру ДНК — молекулы, несущей генетический код, — прошло менее десяти лет. Хотя официально эту систему хранения информации называли кодом, генетики визуализировали ее как карту и схему, печатный текст и запись на пленке, — механика этого процесса оставалась неясной. Было известно, что мутации изменяют последовательность нуклеотидов ДНК, но никто не мог понять, каким образом развивающийся организм считывает измененную карту или запись. Существует ли некий механизм биологического копирования, монтажа и склейки? В подвальной лаборатории Фейнман начал чувствовать себя как дома. Здесь все вокруг состояло из материи, и его это успокаивало. Он был хорошо знаком с сущностью оценочных экспериментов: по его словам, их целью было «понять, что известно, а что — еще нет». Он сразу разобрался, как работает центрифуга и как с помощью ультрафио­летового поглощения можно узнать, сколько ДНК осталось в пробирке. Биоматериал в экспериментах вел себя более беспорядочно: все росло, двигалось, и в точности повторить опыт оказывалось сложно.

Фейнман сосредоточился на изучении конкретной мутации вируса Т4, называемой rII. Этот мутирующий вирус обладал одним ценным свойством: он изобильно произрастал на штамме кишечной палочки B, но не рос на штамме K. Исследователь подсаживал бактерию штамма К к вирусу-мутанту и наблюдал, возникнут ли какие-либо признаки Т4. Если вирус появлялся, это могло означать одно: что-то случилось с мутацией rII, предположительно, она вернулась к своему исходному состоянию. Обратная мутация была довольно редким явлением; если же такое происходило и вирус снова начинал расти на бактерии штамма K, его можно было обнаружить с большой точностью — один на миллиард. Фейнман сравнил появление обратной мутации Т4 с рождением в Китае человека со слоновьими ушами, фиолетовыми пятнами и без левой ноги. Он собирал эти вирусы, изолировал их и снова подселял к бактериям штамма В, чтобы проверить, как они растут.

В некоторых блюдцах творилось нечто странное. Среди нормальных обратно мутировавших Т4 Фейнман обнаружил фаги, растущие не так, как нужно. Он назвал их «идиотскими r». Что происходит на уровне ДНК, когда они возникают? Об этом можно было только догадываться. У Фейнмана было две теории: либо участок мутации rII в нити ДНК претерпел второе, дополнительное изменение, либо вторая мутация возникла на другом участке, но каким-то образом частично «обнулила» первую.

Инструментов прямого изучения генетической последовательности «буква за буквой», основная пара за основной парой, попросту не существовало. Но, упорно скрещивая «идиотскую» мутацию с исходным вирусом, Фейнман сумел доказать, что его вторая догадка оказалась верной: речь шла о взаимодействии двух мутаций, произошедших на соседних участках ДНК. Более того, он продемонстрировал, что характер обоих изменений был схожим: это были мутации rII. Таким образом, он обнаружил новый феномен — мутации, подавляющие друг друга внутри одного гена. Его друзья в лаборатории назвали их фейнтронами и попытались убедить Фейнмана опубликовать материалы своих исследований в научном журнале. Впоследствии аналогичное открытие сделали другие ученые; оно получило название внутригенной супрессии. Но Фейнман не смог предложить достойного объяснения своей теории. Биологи Калтеха не имели четкого представления о том, как читать генетический код и как информация, записанная в ДНК, трансформируется в биологически активные белки и более сложные организмы.

Сам того не осознавая, Фейнман подошел вплотную к одному из величайших открытий в современной генетике. Но преимущество все же осталось за специалистами: год спустя команда Фрэнка Крика из британского Кембриджа разгадала механизм прочтения генетического кода, и краеугольным камнем этого открытия стала внутригенная супрессия. Ученые выдвинули верное предположение: мутации действительно добавляли или аннулировали элемент цепочки ДНК, смещая ее вперед или назад. Первая мутация временно нарушает ход цепочки; вторая восстанавливает нормальную последовательность. В результате ученые вывели простейшую, хоть и странную, механическую модель расшифровки генетического кода: код следует читать линейно, одну основную пару за другой, от начала до конца. Вероятно, Крик изначально предполагал наличие такой модели. В 1966 году он заявил: «Загадка генетического кода, по сути, разгадана».

Так увлечение Фейнмана генетикой подошло к концу. Он мечтал вернуться к физике. И в свободное от измельчения микросом время стал все больше посвящать себя квантовой теории гравитации.

Призраки и черви

Изучение проблемы гравитации считалось занятием благородным, прямым продолжением величайших трудов Эйнштейна. Вместе с тем в начале 1960-х годов исследования гравитации находились на периферии теоретической физики высоких энергий, но никак не в центре. Близился полувековой юбилей общей теории относительности, а некоторые релятивисты и специалисты по математической физике по-прежнему бились над созданием квантовой теории гравитации, пытаясь квантовать гравитационное поле, как давно уже квантовали поля других сил. Это была трудная, запутанная работа. Квантовая теория поля для эйнштейновой гравитации означала, по словам Гелл-Манна, «квантово-механическое размытие понятий пространства и времени». Необходимость квантования гравитации не подтверждалась экспериментальными данными, но для физиков было просто невыносимо представлять мир, где одни поля подчинялись законам квантовой механики, а другие — нет.

С экспериментальной точки зрения сложность заключалась в том, что сила гравитации была очень слабой. Для возникновения ощутимого электромагнетизма достаточно всего нескольких электронов; для появления гравитации, отвечающей за падение листа с дерева, — величина, равная массе нашей планеты. Масштабы действия этих сил настолько различны, что при попытке их примирить теоретики сталкиваются с огромными математическими сложностями. Разница составляет 10⁴² — число, которому даже Фейнман не смог подобрать визуальный аналог. «Сила гравитации слаба, — заявил он на одной конференции, описывая свою работу по квантованию гравитационного поля. Черт-те что, а не сила!» В тот момент, видимо, под воздействием потустороннего вмешательства, с потолка рухнул оторвавшийся динамик и разбился об пол. «Она слаба — но ее нельзя игнорировать», — тут же нашелся Фейнман.

Он начал с теории Эйнштейна и принялся за расчеты, работая так же, как над квантовой электродинамикой; пытался рассмотреть задачу под разными углами, применяя необычные методы. В конце 1950-х годов специалисты по теории относительности все еще пребывали в растерянности по поводу природы гравитационного излучения. Они требовали от расчетов высокой математической точности, и это мешало им прийти к приближенному результату. Фейнман не сомневался в том, что гравитационные волны реальны. Вновь доверившись своей научной интуиции, он решительно двинулся вперед. Ему удалось найти, как казалось, убедительные ответы на вопросы, которые были предметом споров среди теоретиков. Обладают ли гравитационные волны энергией? (Да — и он это доказал.) Можно ли обнаружить гравитационные волны, произведя микроскопические замеры в масштабе их длины? (Нет, заявил он. «Четкое доказательство существования волн можно обнаружить лишь в масштабах, превосходящих их длину, — написал он Виктору Вайскопфу, узнав, что старый друг интересуется его исследованиями в области гравитации. — И я не знаю никого, кто планировал бы провести такой эксперимент, а если б знал, то решил, что этот человек ненормальный».) В рамках дискуссии Фейнман решил не отвергать полностью возможность квантования гравитации. «Может, в этом случае квантовая механика не работает из-за величины расстояний? До чего же интересно жить в наше время и ломать голову над разгадкой таких удивительных тайн!» Он записывал свои диаграммы и высчитывал интегралы, но ни на шаг не приблизился к верному результату. Множественные вероятности не складывались в одну. И все же, соединив интуицию и графики, он понял, что одна уловка поможет ему ликвидировать все изъяны разом. Нужно было лишь добавить в расчеты «призраков» — вымышленные частицы, которые кружили бы вокруг диаграмм и появлялись в нужный момент, формируя петли, а затем снова исчезали в математическое никуда. Несмотря на странность идеи, она сработала, о чем он и сообщил на конференции по гравитации, состоявшейся в июле 1962 года в Варшаве.

Сама проблема гравитации переживала второе рождение. Открытия астрофизиков и исследования, связанные с теорией относительности, породили целый сонм новых научных понятий: черные дыры, белые карлики, квазары и другие. Фейнман же продолжал работу над гравитационным полем еще долгие годы. В своих изысканиях он применял калибровочную теорию Янга — Миллса. Внес существенный вклад в изучение гравитационного поля. Однако ему так и не удалось создать полноценную теорию, которую можно было бы опубликовать.

Вскоре собрания экспертов по теории относительности перестали приносить ему всякую радость, как и конференции по физике высоких энергий, — он начал их избегать. Один из выступающих в Варшаве совершенно серьезно заявил: «С 1916 года технический прогресс в нашей сфере идет крайне медленно и мучительно… Но мне кажется, математической физике свойственно несмотря ни на что стремиться даже к минимальным достижениям, и это является ее характерной чертой. Если же в нашем поле зрения появится нечто действительно увлекательное, будет прекрасно…» На конференции американские физики смущенно пытались общаться с русскими. Перешучивались по поводу возможной установки микрофонов в гостиничных номерах. Фейнман разобрал телефон в варшавском «Гранд-отеле» и решительно не понял, зачем поляки накрутили в нем столько проводов, если там нет жучков. В перерыве он стал задирать одного русского ученого.

— И каковы ваши достижения в физике, Иваненко?

— Я написал книгу в соавторстве с Соколовым.

— А откуда я знаю, что это вы написали? Скажите, чему равен интеграл от e в степени минус x в квадрате от минус до плюс бесконечности? — Молчание. — А сколько будет один плюс один?

Исследования, представленные на конференции, разочаровали Фейнмана. Его собственная презентация прошла незамеченной, хотя впоследствии понятие частиц-«призраков» стало краеугольным камнем современной теории гравитационного поля: его взяли на вооружение и развили другие ученые. «Я не узнал ничего нового», — с досадой написал он Гвинет и отправил ей язвительную характеристику претенциозных научных трудов:

«Обязательные признаки научной работы: 1) совершенно непонятна, 2) отличается размытостью и неопределенностью, 3) содержит верные данные, которые и так известны, но сопровождаются длинным и сложным анализом, чтобы создавалось впечатление, будто ученый сделал важное открытие, 4) заключает в себе утверждение автора, основанное на его тупости, что некий очевидный и верный факт, который давно доказан и признан, на самом деле ошибочен (это хуже всего, потому что никакие аргументы не способны убедить идиота в обратном), 5) представляет собой попытку сделать нечто невозможное и определенно бесполезное, которая чуть позже будет признана неудачной или 6) ошибочной. И, естественно, “в нашей области ведутся активные исследования”, вся “активность” которых заключается в том, чтобы показать, к чему уже привела “активность” их предшественников (как правило, оказывается, что они заблуждались, не открыли ничего полезного либо сделали “перспективное” открытие)».

Научные сборища ему никогда не нравились. «Как будто черви пытаются выбраться из бутылки, заползая друг на друга».

Но, несмотря на недовольство Фейнмана, его выступление в Варшаве стало новой главой, положившей начало применению интегралов по траекториям в решении глубочайших космологических проблем. В конце 1950-х ни он сам, ни другие теоретики не использовали этот подход в физике высоких энергий. Лишь намного позже некоторые ученые применили интегралы по траекториям к самой структуре пространства и времени. Они стремились унифицировать пространственно-временную топологию, суммировав все возможные вселенные. Сам Гелл-Манн говорил, что функциональные интегралы Фейнмана могут оказаться не просто методом, не просто альтернативной формулировкой, а «реальным фундаментом квантовой механики и, следовательно, теоретической физики».

Меньше малого

В то время казалось, что современная физическая наука совсем отошла от мира привычных масштабов. Исследования в области физики высоких энергий переместились в самый низ размерной шкалы, выйдя за пределы микромира в сферу невообразимо маленьких частиц с кратчайшим временем жизни. В ходу было слово «миниатюризация». Инженеры и производители тоже имели дело с мелкими масштабами, правда, не столь мелкими, как в физике частиц. Транзистор, изобретенный чуть больше десятилетия назад в лаборатории Белла, получил повсеместное распространение. А это означало появление радиоприемников на батарейках в жестком пластиковом корпусе, которые умещались на ладони. Исследователи искали способы уменьшить размеры приборов, например катушечных магнитофонов, которые тогда были схожи с чемоданами. Компьютеры, раньше занимавшие целые комнаты, теперь были величиной с автомобиль.

Фейнман понимал, что инженеры еще не совсем осознали свои возможности. «Говорят, на рынке появился прибор, с помощью которого можно записать “Отче наш” на булавочной головке, — сказал он в конце 1959 года на ежегодном собрании Американского физического общества в Калтехе. — Но это еще ничего, — добавил он и призвал ученых двигаться дальше, внутрь атома. — Там, внутри, нас ждет мир невообразимо меньших масштабов». На булавочной головке могут поместиться все двадцать четыре тома «Британской энциклопедии» с картинками, если уменьшить издание в двадцать пять тысяч раз. И это тоже «еще ничего»: каждая из едва заметных точек, составлявших полутона на фотогравюре, содержала примерно тысячу атомов. Чтобы воссоздать и прочесть миниатюрную «Британнику», Фейнман предложил использовать инженерные технологии, существовавшие в то время, — развернуть линзу электронного микроскопа и направить фокусируемый ионный луч на небольшой участок поверхности. Таким образом в небольшой брошюре уместились бы все книги мира.

Но метод непосредственного уменьшения слишком груб, продолжал он. С появлением телефонов и компьютеров возникло новое восприятие информации: одна буква равноценна семи-восьми битам, а бит содержит сотню атомов; все печатные издания, какие только существуют в мире, можно записать на куб размером не больше пылинки. Участники собрания, непривычные к такого рода лекциям, слушали его как завороженные. «Так что никому не нужны ваши микропленки!» — подытожил он.

Фейнман начал задумываться о механике мира атомов по нескольким причинам. Хотя он никому об этом не рассказывал, его мысли занимал второй закон термодинамики и связь между энтропией и информацией; на атомном уровне он достиг порога, после чего вновь взялся за расчеты и мысленные эксперименты. С новыми открытиями в генетике возникли те же проблемы. Он говорил о ДНК (пятьдесят атомов на единицу информации) и способности живых организмов выстраивать крошечные механизмы, предназначенные не только для хранения информации, но и для манипуляций и производства. Он рассуждал о компьютерах: когда-нибудь они станут в миллионы раз мощнее и не только смогут быстрее считать, но обнаружат другие, качественно новые свойства — например, возможность анализировать и делать выводы. «Все законы физики указывают на то, что элементы компьютера могут стать существенно меньше, чем сейчас». Он упомянул о проблемах смазки и о сфере, где начнут главенствовать квантово-механические законы. Высказал мысль об изобретении в скором времени аппаратов, которые будут изготавливать машины и устройства меньшего размера, а те, в свою очередь, еще более микроскопические. «И не нужно будет тратиться на материалы. Допустим, я захочу построить миллиард крошечных фабрик, похожих друг на друга; они будут работать одновременно, просверливая отверстия, штампуя детали и так далее». В заключение своей речи он учредил два приза по тысяче долларов каждый: один обещал вручить тому, кто изготовит уменьшенную в двадцать пять тысяч раз книгу, которую можно будет прочесть с помощью микроскопа; второй — изобретателю рабочего электромотора размером с куб, каждая из граней которого будет не более 0,03 см.

Лекцию Фейнмана опубликовали в журнале Калтеха «Инженерия и наука» и впоследствии перепечатали во многих других изданиях. (Ежемесячник «Популярная наука» опубликовал ее под заголовком «Как построить автомобиль меньше точки».) А двадцать лет спустя для сферы, которую Фейнман тогда пытался лишь вообразить, появилось название — нанотехнологии. Нанотехнологи — ученые, которых кто-то считал гениями, а кто-то безум­цами — изготавливали крошечные силиконовые шестеренки с аккуратными зубчиками и гордо демонстрировали их под микроскопом; они мечтали о времени, когда по артериям будут перемещаться микроскопические самовоспроизводящиеся роботы-«врачи». Фейнмана они считали своим духовным отцом, хотя он так никогда и не вернулся к этой теме. С точки зрения грубой механики мельчайшие механизмы, появление которых пророчили нанотехнологи, казались фантастическими объектами из далекого будущего — такого же далекого, каким воспринималось их время из 1959 года. В соответствии с механическими законами физики трение, вязкость и электрические силы при уменьшении масштабов давали сбой, будучи не в состоянии действовать столь безукоризненно, как предсказывал Фейнман в лекции о «миллиарде крошечных фабрик». Колесики, шестеренки и рычаги попросту склеивались. Правда, другие микроскопические устройства действительно появились: их использовали для хранения и обработки информации, причем эффективность этих машин превзошла все его прогнозы. Но это были электронные машины, а не механические; они использовали законы квантовой механики, а не противостояли им.

Приз за микроскопическую книгу Фейнман выплатил лишь в 1985 году: аспирант из Стэнфорда Томас Ньюман потратил целый месяц и уменьшил-таки первую страницу «Повести о двух городах», разместив ее на силиконовой основе и применив технику, почти в точности описанную Фейнманом в 1960-е. А вот крошечный моторчик не заставил себя ждать так долго. Фейнман недооценил уровень развития технологий: местный инженер Уильям Маклеллан прочел статью в журнале «Инженерия и наука» в феврале, а в июне, так и не услышав новостей о подобном изобретении, решил сконструировать мотор сам. У него ушло на это два месяца; он работал в свободное время, используя резец часовщика и пресс для микродрели. Обычный пинцет не годился — вместо него Маклеллан взял заостренную зубочистку. С помощью этих инструментов он просверливал невидимые отверстия и оборачивал мотор медной проволокой толщиной 0,001 см. Вскоре моторчик мощностью одна миллионная лошадиной силы был готов.

В ноябре Маклеллан пришел к Фейнману, когда тот работал в одиночестве в лаборатории Калтеха, и принес большой деревянный ящик. Он заметил, что на лице ученого промелькнуло разочарование: слишком много к нему приходило идиотов с моторчиками от игрушечных автомобилей, помещавшихся на ладони. Но оказалось, что в ящике у Маклеллана микроскоп.

— Ого, — ахнул Фейнман. Он так и не учредил официальную премию, поэтому выписал Маклеллану чек от своего имени.

Все его знания

Фейнмана по-прежнему занимали простые вопросы. Большую часть своей жизни он пытался постичь устройство мира, понять, как атомы и силы, соединяясь, образуют кристаллы льда и радугу. Создавая в своем воображении мир микроскопических машин, он продолжал исследовать процессы, происходящие на уровне долгоживущих молекул, а не эфемерных странных частиц. Он стал частью сообщества физиков-теоретиков, принял их цели и риторику и все же сообщил Американскому физическому обществу, что миниатюризация не имеет ничего общего с фундаментальной физикой («Что такое вообще эти странные частицы?»). Но в сообществе интеллектуальное превосходство негласно признавалось за теми, кто изучал феномены, возникающие в результате столкновения частиц и наблюдаемые лишь кратчайшую долю секунды. Фейнман же давал понятию другое определение. «То, о чем мы говорим, реально, и оно прямо перед нами: это природа», — писал он одному индийскому корреспонденту, который, по его мнению, начитался литературы о «необъяснимых феноменах».

«Учитесь, пытайтесь постичь суть простых вещей и законов, лежащих в основе всего. Почему облака не падают, почему днем не видно звезд, почему масляная пленка разноцветная, как образуются линии на поверхности водяной струи, льющейся из кувшина, почему раскачивается лампа — все эти бесчисленные явления мы наблюдаем в окружающем мире. Когда найдете им объяснение, можете перейти к другим, более тонким вопросам».

Первой ступенью для любого студента Калтеха был двухлетний обязательный курс базовой физики, но к началу 1960-х годов его программа безнадежно устарела. Со всей страны в университет прибывали блестящие молодые первокурсники, которые только что окончили школу и были готовы вгрызаться в тайны теории относительности и странных частиц, а их заставляли изучать, по выражению Фейнмана, «движение пробкового мяча по наклонной плоскости». Главного преподавателя на факультете не было; лекции читали аспиранты, поделив их между собой. В 1961 году администрация Калтеха решила полностью переработать курс; Фейнмана попросили читать его дважды в неделю в течение первого года.

С проблемой устаревших программ столкнулись не только в Калтехе и не только в рамках базового курса физики. Современная наука менялась слишком стремительно, а вот вузовская программа, напротив, костенела. Не осталось никого, кто мог бы вывести студентов бакалавриата на горячую передовую современной физики и биологии. Но если квантовую механику и молекулярную генетику еще как-то можно было интегрировать в программу высшего образования, то наука «до Эйнштейна» грозила превратиться в предмет исторический. Для многих первокурсников освоение физики начиналось с истории: они изучали физическую науку Древней Греции; египетские пирамиды и шумерские календари; развитие физики в Средние века и в XIX веке. Почти все курсы начинались с механики в том или ином виде. Вот как выглядела типичная программа:

1. Историческое развитие физической науки.
2. Современное состояние физической науки.
3. Кинематика: наука о движении.
4. Законы динамики.
5. Применение законов движения: движущая сила и энергия.
6. Упругость и простое гармоническое движение.
7. Динамика абсолютно твердого тела.
8. Статика абсолютно твердого тела.

И так далее, и тому подобное, пока наконец в самые последние недели курса не начиналось изучение атомов и молекул, которое шло в этом списке под номером 26. После этого оставалось совсем немного времени, чтобы слегка затронуть ядерную физику и астрофизику. В Калтехе по-прежнему был в ходу древний учебник, написанный местным светилом Робертом Милликеном — труд, по уши увязший в физике XVIII–XIX веков.

Фейнман же начал свой курс с атомов. Потому что именно они были основой его понимания мира — не мира квантовой механики, а обычного мира парящих облаков и масляной пленки на воде, переливающейся разными цветами. Осенью 1961 года почти двести первокурсников вошли в аудиторию, и первое, что они услышали, был вопрос, заданный улыбающимся лектором, меряющим шагами кафедру:

— Так как же мы представляем мир? Предположим, что в результате некоего катаклизма будут уничтожены все научные знания и нужно передать следующему поколению лишь одну фразу, в которой содержалось бы максимум информации и минимум слов. Что это была бы за фраза? Мне кажется, в ней должна содержаться атомная гипотеза (или, если угодно, не гипотеза, а факт): всё в мире состоит из атомов, мельчайших частиц, находящихся в постоянном движении и притягивающих друг друга на небольшом расстоянии, но отталкивающихся при столкновении. В одном этом высказывании заключен огромный объем информации о мире, если немного поразмыслить и включить воображение.

Он предложил студентам представить каплю воды и совершить путешествие по шкале размеров: увеличить каплю до двенадцати метров в сечении, потом до двадцати четырех километров, а потом еще в двести пятьдесят раз, пока на горизонте не забрезжат движущиеся молекулы, каждая из которых состоит из двух атомов водорода, похожих на пухлые ручки, торчащие из большого «туловища» — атома кислорода. Фейнман охарактеризовал противоборствующие силы, удерживающие и отталкивающие молекулы. Представил жар в виде движущихся атомов; рассказал о давлении, расширении, превращении в пар. Описал лед и его молекулы — твердую кристаллическую решетку; поверхность воды, поглощающую кислород и азот и выделяющую пар. Вслед за этим тут же возникли вопросы о равновесии и дисбалансе. Вместо того чтобы говорить об Аристотеле и Галилее, объяс­нять устройство рычага и физику метаемого тела, он создал осязаемую картину мира, в котором все субстанции состоят из атомов, рассказал, как возникают эти субстанции и почему они ведут себя так, а не иначе. Растворение и осадки, огонь и запах — Фейнман шагал по кафедре, показывая атомную гипотезу не как конечный пункт, редуктивный тупик, а как начало пути, ведущего к более сложным материям.

— Если вода — а она вся состоит из этих маленьких капель, все километры воды на Земле — может образовывать волны и пениться, шуметь и течь по асфальту, описывая странную траекторию; если все это, все потоки воды состоят из атомов, представляете, сколько всего еще возможно? И возможно ли, что этот «объект», который ходит сейчас перед вами и о чем-то рассказывает, тоже представляет собой нагромождение атомов, только организованных более сложным образом? Говоря о себе как о скоплении атомов, мы, конечно же имеем в виду не беспорядочную кучу, а определенное сочетание частиц, имеющее уникальный рисунок, который не повторяется от одного человека к другому, хотя этот другой, вероятно, обладает теми же способностями, как и тот, кого вы видите в зеркале.

Фейнман вдруг обнаружил, что загружен работой; он не работал так много со времен Манхэттенского проекта. Его занимало не только преподавание. Он понял, что хочет структурировать огромный объем физических знаний, и структурировать его по-новому, перевернув с ног на голову, пока не найдет взаимосвязи — «хвосты», которые раньше никто не увязывал между собой. Он даже попытался нарисовать карту, представляя свои исследования в виде диаграммы, и назвал ее «Путеводитель по непонятному».

Команда профессоров и аспирантов из Калтеха с грехом пополам старалась за ним угнаться: неделями они сочиняли задачи и собирали дополнительные материалы, и его «Путеводитель» постепенно обретал очертания. После лекций они встречались за обедом и пытались собрать воедино то, что Фейнман извлекал из одного-единственного листка с загадочными набросками. Он говорил о физике языком простого мечтателя и уделял основное внимание идеям, а не методологии, однако мысль его развивалась столь стремительно, что коллегам-физикам было сложно поспевать за ее ходом.

Любой базовый курс включал историю предмета, и курс Фейнмана не был исключением. Но вместо того чтобы углубляться в повествование о шумерах и древних греках, Фейнман посвятил вторую лекцию «физике до 1920 года». На эту тему у него ушло меньше получаса, после чего он перешел к краткому обзору квантовой физики, ядер и странных частиц по Гелл-Манну и Ниси­дзиме. Многие студенты пришли в Калтех именно за этим. Но Фейнман не хотел, чтобы у них создалось впечатление, будто именно здесь, на уровне микроскопических частиц, кроются фундаментальные законы и глубочайшие нераскрытые тайны.

Перейдя искусственную границу между научными дисциплинами, он заговорил о другой проблеме — и это было «не обнаружение новых элементарных частиц, а кое-что, оставшееся нерешенным с давних пор». Речь шла об анализе турбулентных жидкостей. В наблюдениях за эволюцией звезды наступает момент, когда можно определить начало конвекции; после этого поведение звезды становится непредсказуемым. Мы также не можем анализировать погоду. Нам неизвестна закономерность процессов, происходящих внутри Земли. Никто не может объяснить этот хаос с точки зрения первых принципов атомных сил или законов течения жидкости. Течение обычной жидкости разобрано в учебнике, сказал он первокурсникам. Но мы до сих пор не знаем, как описать поток воды, текущей по трубе. Вот главная проблема, которую еще предстоит решить.

Каждая его лекция представляла собой совершенное театральное представление. В отличие от других преподавателей, Фейнман никогда не обрывал тему на середине: «Похоже, нам пора заканчивать. Продолжим эту дискуссию в следующий раз…» Он так четко просчитывал, сколько времени понадобится на заполнение диаграммами и уравнениями двухъярусной раздвижной доски, что, казалось, заранее представлял, как она будет выглядеть в конце занятия. Он выбирал обширнейшие темы, широко раскинувшие свои щупальца и затрагивающие самые разные сферы научного знания: сохранение энергии, время и расстояние, вероятность. Уже в конце первого месяца он перешел к глубокой и насущной проблеме симметрии в законах физики. Его подход к сохранению энергии позволял взглянуть на многие проблемы совсем под другим углом. Физики-теоретики, занимающиеся исследованиями, постоянно помнили об этом принципе, но в учебниках он упоминался вскользь, в конце главы о механической энергии или термодинамике. При этом сперва указывалось, что механическая энергия не сохраняется, так как трение неизбежно приводит к ее потере. Полноценное описание принципа встречалось лишь тогда, когда речь заходила об эквивалентности материи и энергии у Эйнштейна.

А Фейнман выбрал сохранение энергии отправной точкой разговора о законах сохранения вообще (и в результате в программе его курса понятия «сохранение заряда», «барионы» и «лептоны» вводились за несколько недель до изучения тем, посвященных скорости, расстоянию и ускорению). Он предложил гениальную аналогию. Представьте ребенка, у которого есть двадцать восемь кубиков, сказал он. В конце каждого дня мать их пересчитывает. И выявляет фундаментальный закон — закон сохранения кубиков: их всегда двадцать восемь.

Однажды она обнаруживает, что кубиков двадцать семь, но при внимательном осмотре выясняется, что один завалился под ковер. На другой день она насчитывает лишь двадцать шесть кубиков, но, подойдя к открытому окну, видит, что недостающие два валяются на улице. На третий день оказывается, что кубиков двадцать пять. В комнате стоит коробка; взвесив коробку и кубик, мать приходит к выводу, что три кубика находятся внутри. Так продолжается долгое время. Кубики исчезают в ванной под водой, и матери приходится применять все более сложные вычисления, чтобы определить их количество по уровню поднявшейся воды. «Ее мир постепенно усложняется, — объяснял Фейнман, — ей приходится вводить целый ряд понятий, которые помогают подсчитать, сколько кубиков находится там, где их не видно». Между энергией и кубиками есть одно различие, предупредил он: энергия — это набор абстрактных формул, которые с каждым шагом становятся все запутаннее. Но суть одна: в конечном итоге физик всегда должен вернуться к тому, с чего начал.

Живые аналогии и обширные темы неизбежно влекли за собой расчеты. На той же часовой лекции по сохранению энергии Фейнман заставил студентов высчитывать потенциальную и кинетическую энергию в гравитационном поле. Через неделю, знакомя их с принципом неопределенности в квантовой механике, он не только сумел передать всю драматичность этого неотъемлемого свойства всех природных явлений, но и рассчитал плотность вероятности атома водорода в состоянии покоя. При этом он по-прежнему не касался таких базовых понятий, как скорость, расстояние и ускорение.

Неудивительно, что коллеги Фейнмана занервничали, столкнувшись с необходимостью писать задачи и упражнения для его курса. Еще до окончания первого полугодия он разъяснил студентам сложнейшую геометрию пространства и времени в теории относительности вкупе с диаграммами движения частиц, геометрическими преобразованиями и четырехвекторной алгеброй. Это был очень сложный материал для первокурсников. А ведь Фейнман пытался не только научить их математике, но и показать, как он применяет свой метод визуализации, объяснить механизмы работы своего мозга на примере составления диаграмм, заставить студентов наглядно представить кажущуюся ширину и глубину объекта. Он увлекал их в свое Зазеркалье.

«Все зависит от того, каким образом мы воспринимаем объекты; когда мы перемещаемся, наш мозг тут же пересчитывает их ширину и глубину. Но если мы движемся с высокой скоростью, то не можем мгновенно вычислить координаты и время: люди никогда не передвигались со скоростью света, а следовательно, они не в состоянии осознать природу времени и пространства».

Порой студенты приходили в ужас. Фейнман, однако, периодически возвращался к стандартным темам из вводного курса физики. Опытные ученые, присутствовавшие на его лекциях, понимали, что, рассказывая о центре тяжести и вращающемся гироскопе, он дает студентам не только математический метод, но и физическое понимание сути этих явлений. Почему волчок, удерживающийся в вертикальном положении на кончике пальца, начинает медленно кружиться под действием гравитации, тянущей его ось вниз? Даже бывалым физикам казалось, что они впервые слышат ответы на свои «почему», когда Фейнман говорил о гироскопе, который всегда немного «падает», прежде чем начать вращаться… (Он не хотел, чтобы у студентов возникло впечатление, что гироскоп — это чудо: «Это чудесная штука, но никак не чудо».)

В науке для него не было запретных сфер. Проконсультировавшись с экспертами из других областей, он прочел две лекции о физиологии глаза и физико-химических свойствах цветного зрения, указав на глубокую взаимо­связь физики и психологии. Описал точку зрения на время и поля, вытекающую из его дипломной работы с Уилером и понятий запаздывающего и опережающего потенциалов. В отдельной лекции раскрыл принцип наименьшего действия, начав с воспоминаний о своем школьном учителе мистере Бадере — откуда мяч знает, в какую сторону лететь? — и закончив принципом Гамильтона в квантовой механике. Другую лекцию посвятил храповику и собачке — простейшему зубчатому механизму, который препятствует разматыванию часовой пружины; на самом же деле это был урок обратимости и необратимости, беспорядка и энтропии. За один час он увязал макроскопическое действие этого механизма с процессами, происходящими на уровне составляющих его атомов. И показал, что история храповика — это термодинамическая история Вселенной:

«Храповик и собачка вращаются лишь в одном направлении, так как между ними и остальной Вселенной существует глубинная связь… Поскольку от Земли идет холод, а от Солнца — тепло, храповик и собачка, изготовленные человеком, могут крутиться лишь в одну сторону… Нам не понять суть этого явления, пока мы не приблизимся к разгадке тайны зарождения Вселенной не с точки зрения досужих разговоров, а с точки зрения научного знания».

Этот курс стал педагогическим достижением; еще до его окончания он приобрел широкую известность в научном сообществе. Но он не предназначался для первокурсников. Шли месяцы, и результаты экзаменов потрясли и разочаровали Фейнмана. Тем не менее в конце года администрация стала умолять его продолжить курс и преподавать тому же потоку студентов, теперь уже второкурсников. Он согласился и на этот раз попытался прочесть им всеобъемлющий курс квантовой механики, снова опрокинув привычный порядок. Пройдет много лет, и Дэвид Гудстейн, другой физик Калтеха, будет рассказывать: «Недавно я разговаривал с его бывшими студентами… Хотя другие воспоминания о том времени у многих стерлись, все как один признались, что два года на курсе у Фейнмана стали для них уникальным опытом, который бывает раз в жизни». Однако в 1960-е ситуация свидетельствовала об обратном: к окончанию курса посещаемость сильно упала. В то же время на лекции стали приходить преподаватели и аспиранты, поэтому аудитория всегда оставалась полной; Фейнман, вероятно, не догадывался, что теряет слушателей, для которых все это и затевалось…

Таков был мир по Фейнману. Со времен Ньютона ни одному ученому не удавалось представить столь полную, амбициозную и неортодоксальную картину знаний о мире — как собственных, так и наработанных научным сообществом. После тщательной обработки (главными редакторами выступили физики Роберт Лейтон и Мэтью Сэндс) лекции вышли в виде трехтомника «Фейнмановские лекции по физике» — знаменитых «красных книг». В колледжах и университетах их поначалу пытались использовать как учебники, но вскоре отказались от этой идеи в пользу более структурированной и менее ра­дикальной альтернативы. Вместе с тем, в отличие от «настоящих» учебников, фейнмановские лекции продолжали продаваться и поколение спустя.

На обложке трехтомника смеющийся Фейнман в рубашке играл на барабанах. Впоследствии он жалел, что выбрали именно эту фотографию. «Странно, но в тех редких случаях, когда меня приглашают сыграть на барабанах на каком-нибудь официальном приеме, хозяева никогда не упоминают о том, что я физик-теоретик. Видимо, все дело в том, что искусство вызывает у людей большее уважение, чем наука», — заметил он после того, как на одном из таких приемов его представили как барабанщика. И когда шведское издательство обратилось к нему с просьбой прислать копию этой фотографии для энциклопедии («Хотелось бы показать, что у такой сложной сферы, как теоретическая физика, человеческое лицо…»), он взорвался. «Дорогие издатели, — написал он в ответ, — тот факт, что я играю на барабанах, не имеет никакого отношения к моим исследованиям в области теоретической физики. Открытия этой науки являются одним из высочайших достижений человечества, поэтому я считаю оскорбительным постоянную потребность издателей доказывать, что физик — тоже человек, демонстрируя, что он, как все, занимается обычными делами (например, игрой на барабанах).

Да, я обычный человек, и поэтому говорю вам: идите к черту».

Отправить