Сложные явления, простые правила

В то время как Ричард Фейнман с трудом нащупывал почву под ногами, Джулиан Швингер чувствовал себя вполне уверенно. Эти двое стали соперниками, сами того не осознавая. Они росли в противоположных концах Нью-Йорка, в районах, которые с таким же успехом могли бы быть разделены тысячами километров, и прокладывали путь в физику каждый в своем неповторимом стиле. Швингер с его тяжелыми совиными веками и легкой сутулостью, приобретенной уже в двадцать с небольшим, усердно пытался казаться утонченным денди, в то время как Фейнман с не меньшим усердием стремился к обратному. Швингер тщательно подбирал одежду, отдавая предпочтение самым дорогим маркам, и водил «кадиллак». Работал по ночам, вставая лишь после обеда. Был виртуозным оратором — говорил гладко и без запинок. Гордился тем, что никогда не пользуется конспектами. Молодой англичанин, посетивший одну из его лекций, назвал Швингера одержимым (по сравнению с чем энтузиазм Фейнмана казался ему утомительным). «Им, казалось, овладел дух самого Маколея[118]: он говорил выверенными фразами, тщательно сконструированными сложноподчиненными предложениями, не забывая привести всю конструкцию к логическому завершению». Швингер любил побуждать слушателей к мыслительной деятельности. Он никогда бы не сказал прямо: «Я женился и отправился в свадебное путешествие». Нет. «Покончив с холостяцкой жизнью, я совершил ностальгическое путешествие по стране в очаровательной компании», — вот какой была его манера изложения. В похожем стиле он писал и уравнения.

Покровителем Швингера был Исидор Айзек Раби. Раби любил описывать их первую встречу: Джулиан, семнадцатилетний юнец, молча поджидавший его в кабинете, внезапно вступил в спор, который разгорелся вокруг парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена, доказывавшего, по мнению его авторов, неполноту квантовой механики и описанного в недавно опубликованной работе. Как и многие застенчивые молодые люди, вознамерившиеся идти своим путем, Швингер был самонадеян и этим заработал проблемы с администрацией городского колледжа, так как не считал необходимым посещать занятия. Раби помог ему перевестись в Колумбийский университет и с садистским наслаждением подначивал недовольных педагогов, грозившихся его исключить. «Ты мужик или мышь? Поставь ему кол!» — науськивал он профессора химии, чьи лекции отличались редким занудством, верно рассудив, что кол в перспективе аукнется профессору, а не студенту. Швингер еще не успел получить диплом (он окончил университет в девятнадцать), а Раби уже разрешал ему заменять себя на лекциях по квантовой механике. Исследования, впоследствии ставшие основой его докторской диссертации, Швингер также завершил еще до получения диплома. Ферми, Теллер и Бете знали молодого физика лично, были знакомы с его работами и уже сотрудничали с ним. Тем временем Фейнман учился на втором курсе МТИ, хотя был моложе коллеги всего на три месяца. Количество научных работ, написанных Швингером в соавторстве с десятками других ученых, не поддавалось исчислению. Все они отличались безукоризненностью изложения и публиковались главным образом в Physical Review, самом престижном научном физическом журнале. К тому моменту, как Фейнман напечатал свою докторскую, Швингер трудился в качестве члена Национального исследовательского совета в Беркли и работал непосредственно с Оппенгеймером.

Как и Раби, он отказался от работы в Лос-Аламосе и предпочел ей радиационную лабораторию и изучение радара. Его карьера по-прежнему развивалась стремительно: к концу войны Швингер занял место Паули — специально приглашенного лектора, задачей которого было информировать ученых из лаборатории о новостях в области «невоенной» физики. Ученые-атомщики, чья гражданская карьера была грубо прервана войной, находились теперь в полной изоляции за забором в пустыне. Физики одного возраста с Фейнманом — возраста, который является самым важным и продуктивным в карьере ученого, — особенно остро ощущали свою оторванность от мира.

Швингер побывал в Лос-Аламосе лишь однажды, в 1945 году, и там впервые пересекся с Фейнманом. Последний поразился научной плодовитости своего ровесника; он-то думал, что Швингер старше. Забыв со временем содержание лекции Швингера, прочитанной им тогда физикам-теоретикам, Фейнман хорошо запомнил его манеру выступать: то, как он вошел в зал, склонив голову, подобно выходящему на арену быку; как демонстративно отложил тетрадь с конспектами; как виртуозно владел речью, наводя благоговейный ужас на присутствующих.

Теперь Швингер работал в Гарварде и вскоре должен был стать профессором — и это в неполные двадцать девять лет. Гарвардский комитет всерьез рассматривал на эту роль только Швингера и Бете; по поводу первого членов комитета волновало, сможет ли он рано вставать и приходить на работу к полудню. Оказалось, что смог, и вскоре на лекции Швингера по ядерной физике начали стекаться студенты не только Гарварда, но и физического факультета МТИ.

Тем временем Фейнман с головой погрузился в свой курс по математическим методам в физике. В отличие от швингеровского, этот курс был обычным — стандартный предмет, который преподавали на всех физических факультетах. Но Фейнман понимал, что в этой области только что произошел переворот. В Лос-Аламосе математические методы в физике были подвергнуты тщательному пересмотру; их усовершенствовали, убрали все лишнее, переписали и, по сути, изобрели заново. Фейнман знал, какие из них имеют реальную практическую пользу, а каким учат просто потому, что учили всегда. Он планировал сделать упор на нелинейность и обучить студентов хитростям и уловкам, которые он сам использовал в решении уравнений. Сделав первые наброски еще в ночном поезде в Итаку, он с нуля разработал совершенно новый курс.

На первой странице тетради с картонной обложкой — такими он пользовался со школы — Фейнман записал первые принципы:

Сложные явления — простые правила.

При решении уравнений на стыке физики и математики опираемся на правила.

Он размышлял о том, как слепить из студентов свое подобие. Как он решает задачи? Какими методами руководствуется?

Нужно уметь отбросить все лишнее… понимать суть физической задачи и знать, где именно к ней можно применить математические методы.

Он решил вкратце рассказать студентам о том, чему собирается и не собирается их учить. В его планах — познакомить их с практическими хитростями, позволяющими сэкономить время и пренебречь демонстрацией чистой математики.

Он избавился от абстрактной математики.

При этом все темы будут прорабатываться максимально тщательно. Предстоит большая работа, много практики. Погружение в детали, чтение книг, индивидуальные консультации, решение примеров. Если дело не пойдет, можно сбавить темп и подробно разобрать возникшие проблемы.

Он планировал обучить студентов как основополагающим математическим методам, которые обычно не освещаются в рамках стандартных курсов, так и новейшим, о которых еще никто ничего не знает. Это будет не абстрактная, а практическая математика.

Осталось определить, к какой степени точности необходимо стремиться. И можно двигаться вперед.

Напоследок он сделал короткую запись об изучении трудоемких традиционных методов — к примеру, это касалось вычисления криволинейных интегралов; исходя из своего опыта, он считал, что большинство интегралов легко считались «в лоб». Фейнман вычислял интегралы на спор и всегда выходил победителем. Глядя, как от традиционной программы курса остаются рожки да ножки, коллеги Фейнмана беспокоились, удастся ли ему обучить студентов своим методам. Тем не менее в первые годы его преподавания усовершенствованный курс привлек не только аспирантов, для которых являлся обязательным, но и молодых преподавателей с кафедр физики и математики. Причем даже самые хладнокровные были шокированы его формулировкой задач, нередко начинавшихся так: «Атомная бомба имеет форму цилиндра с радиусом a и высотой 2?, а плотность нейтронов в ней составляет n…» Студенты очутились во власти теоретика, чья одержимость математическими методами была следствием погружения в непростые для понимания базовые положения квантовой механики. Раз за разом Фейнман доказывал, что все идет от основ, а в основе всего лежат ключевые принципы распространения световых и звуковых волн. Он демонстрировал пошаговые вычисления интенсивности всенаправленной радиации, излучаемой периодическим источником; неохотно визуализировал векторы, матрицы и тензоры; суммировал бесконечные ряды, которые иногда сходились, а иногда расходились, снова становясь бесконечностью.

Постепенно он освоился в Корнелле, хотя прогресса в теоретических исследованиях по-прежнему не намечалось. Он думал только о бомбе и даже дал интервью местной радиостанции, рассказав все без прикрас. Ведущий: На прошлой неделе доктор Фейнман поведал нам о том, что одна атомная бомба сделала с Хиросимой и что другие могут сделать для Итаки… Ведущего интересовали автомобили на атомном топливе: возможно ли это? Многие радиослушатели, сказал он, ждут того дня, когда можно будет закинуть в топливный бак ложку урана и с ветерком промчаться мимо бензозаправочной станции. Фейнман ответил, что сомневается в практической осуществимости этой идеи: «Радиоактивные лучи, образуемые при расщеплении урана в двигателе, попросту убьют водителя». Но он все же потратил некоторое время на то, чтобы изучить возможности мирного применения атомной энергии. В Лос-Аламосе он изобрел и запатентовал скоростной реактор, генерирующий электроэнергию (правда, патент был оформлен на правительство США). Он также задумывался о применении ядерного топлива в космонавтике. «Уважаемый коллега, — писал он знакомому физику в конце 1945 года. — Я считаю, что теперь, с открытием атомной энергии, межпланетные путешествия определенно возможны». Он выступил с радикальным предложением, в то время казавшимся почти сумасбродным, — запустить ракету в космос. Категорическими ограничениями для этого оставались температура и атомная масса топлива, приводящего ракету в движение; в свою очередь, степень жаропрочности металла накладывала ограничения на температуру. Фейнман верно предсказал, что масса и объем топливного бака многократно превысят массу и объем самой ракеты. Тридцать лет спустя его прогноз подтвердился: громоздкие ступени, которые после сброса становились мусором, и гигантские топливные баки стали проклятием аэрокосмической индустрии.

Фейнман предложил применить реактивный механизм, используя движущую силу воздуха. С изобретением самолета реактивные технологии продемонстрировали свою эффективность. Космический корабль Фейнмана должен был задействовать внешние слои земной атмосферы как взлетную полосу и ускоряться, описывая круги вокруг земного шара. Реактивный корабль питался бы от атомного реактора, который бы подогревал воздух, поступающий в двигатель. На взлете предполагалось использовать крылья, а при достижении скорости более восьми километров в секунду следовало перевернуть корабль, чтобы «лететь вверх ногами, иначе сила земного притяжения перестала бы действовать и корабль выбросило бы за пределы атмосферы». Достигнув космической скорости, корабль должен был лететь к пункту назначения по касательной, как камень, выпущенный из рогатки.

Проблемой оставалось сопротивление воздуха, нагревающего корабль. Фейнман считал, что ее можно решить, правильно высчитав высоту при ускорении. «Если воздух способен нагреть корабль посредством трения, значит, этой силы хватит и для питания реактивных двигателей». Однако для эффективного функционирования в атмосфере с различной плотностью двигатели должны быть сконструированы с учетом самых передовых инженерных технологий. Что Фейнман упустил, так это решение противоположной задачи: как корабль будет замедляться при посадке в безвоздушном пространстве, к примеру на Луне. В любом случае, он никак не мог предвидеть, что у его теории есть один убийственный изъян — человеческий фактор. После Хиросимы люди перестали верить в безопасность атомной энергии, и им не понравилась бы идея летающих в небе ядерных реакторов.