CHARAKTER PRAW FIZYCZNYCH Dotychczas ukaza�y si�: Sze�� �atwych kawa�k�w Sens tego wszystkiego Sze�� trudniejszych kawa�k�w W przygotowaniu: QED. Osobliwa teoria �wiat�a i materii Richard P. Feymnan CHARAKTER PRAW FIZYCZNYCH Prze�o�y� Piotr Amsterdamski P�-oszy^sl<i i S-ka Warszawa 2000 Tytu� orygina�u angielskiego THE CHARACTER OF PHYSICAL LAW Copyright (c) Richard P. Feynman, 1965 Introduction copyright (c) Pau� Davies, 1992 Ali rights reserved Projekt ok�adki Dorota Ostaszewska Zdj�cie na ok�adce za zgod� Arehiyes, Califomia Institute of Technology ISBN 83-7180-876-3 Wydawca Pr�szyiiski i S-ka SA ul. Gara�owa 7, 02-651 Warszawa Druk i oprawa Drukarnia Wydawnicza im. W. L. Anczyca SA ul. Wadowicka 8 30-415 Krak�w Spis rzeczy Wprowadzenie 1. Prawo powszechnego ci��enia - przyk�ad prawa fizycznego 2. Zwi�zek mi�dzy matematyk� i fizyk� 3. Wielkie zasady zachowania 4. Symetria praw fizycznych 5. Rozr�nienie przesz�o�ci i przysz�o�ci 6. Prawdopodobie�stwo i niepewno�� - kwantowa teoria natury 7. Poszukiwania nowych praw Wprowadzenie W�r�d historyk�w nauki bardzo modne s� dzi� rozwa�ania na temat znaczenia rewolucji naukowych. Ka�da rewolucja jest dzie�em grupy geniuszy, kobiet i m�czyzn, kt�rzy moc� swej inteligencji i wyobra�ni zmuszaj� innych uczonych do odrzu- cenia starych przes�d�w i przyj�cia nieznanych, nowych kon- cepcji. Sam geniusz bywa przedmiotem bada�, natomiast mniejsz� wag� przywi�zuje si� zazwyczaj do czego�, co mo�- na by nazwa� stylem, cho� zmiany stylu pracy miewaj� r�wnie du�y wp�yw na rozw�j nauki, jak tak zwany geniusz. Richard Feynman wyr�nia� si� zar�wno geniuszem, jak i niekonwencjonalnym stylem. Urodzi� si� w 1918 roku, zbyt p�no, �eby wzi�� udzia� w Z�otym Wieku fizyki, kiedy to w ci�- gu pierwszych trzydziestu lat XX stulecia dwie rewolucyjne teo- rie, teo�a wzgl�dno�ci oraz mechanika kwantowa, ca�kowicie zmieni�y nasz obraz �wiata. Te prze�omowe odkrycia stanowi�y fundament, na kt�rym wzniesiono gmach nazywany dzi� Now� Fizyk�. Feynman rozpocz�� badania naukowe, gdy te fundamen- ty by�y ju� gotowe, i przyczyni� si� do rozbudowy "parteru". Jego prace dotyczy�y niemal wszystkich dziedzin fizyki i wywar�y wiel- ki wp�yw na spos�b, w jaki fizycy my�l� dzi� o Wszech�wiecie. Feynman zdoby� s�aw� swoimi pracami na temat cz�stek elementarnych, zw�aszcza w dziedzinie elektrodynamiki kwan- towej (QED). W istocie to w�a�nie pr�by rozwi�zania pew- nych zagadnie� elektrodynamicznych doprowadzi�y do po- wstania mechaniki kwantowej. W 1900 roku niemiecki fizyk Max Pianek wysun�� hipotez�, �e w oddzia�ywaniach z mate- ri� promieniowanie elektromagnetyczne, w tym r�wnie� �wiat- �o, kt�re wcze�niej uwa�ano za fale, zachowuje si� tak, jakby si� sk�ada�o z niewielkich porcji energii, czyli w�a�nie kwant�w. 8 Charakter praw fizycznych Te kwanty nazwano fotonami. Na pocz�tku lat trzydziestych tw�rcy mechaniki kwantowej opracowali matematyczn� teo- ri�, opisuj�c� emisj� i absorpcj� foton�w przez cz�stki na�ado- wane elektrycznie, na przyk�ad elektrony. Cho� elektrodynami- ka kwantowa w swej pierwotnej postaci osi�gn�a pewne sukcesy, jej niedostatki byty oczywiste dla wszystkich. Pod ko- niec lat czterdziestych to w�a�nie m�ody Feynman zaj�� si� opracowaniem sp�jnej elektrodynamiki kwantowej. Zadanie to wymaga�o stworzenia teorii zgodnej nie tylko z zasadami mechaniki kwantowej, ale r�wnie� ze szczeg�ln� teori� wzgl�dno�ci. Te dwie teorie maj� posta� skomplikowa- nych uk�ad�w r�wna�, kt�re rzeczywi�cie mo�na ze sob� po- godzi� i skonstruowa� zadowalaj�c� elektrodynamik� kwanto- w�. Rozwi�zanie tego problemu by�o jednak trudnym zadaniem, wymagaj�cym ogromnej zr�czno�ci matematycz- nej. Takie podej�cie zastosowali inni fizycy, pracuj�cy w tym samym okresie. Feynman natomiast poszed� drog� bardziej radykaln�, tak radykaln�, �e dzi�ki niej by� w stanie natych- miast poda� odpowied� na niemal ka�de pytanie fizyczne, nie rozwi�zuj�c przy tym r�wna�! Aby sobie u�atwi� takie nadzwyczajne tryumfy intuicji, Feynman wynalaz� prosty system diagram�w. S�ynne diagra- my Feynmana stanowi� symboliczny, a zarazem heurystyczny spos�b przedstawiania przebiegu oddzia�ywa� mi�dzy elek- tronami, fotonami i innymi cz�stkami elementarnymi. Obec- nie diagramy Feynmana stosowane s� rutynowo w wielu r�- nych obliczeniach, ale na pocz�tku lat pi��dziesi�tych stanowi�y zaskakuj�ce odej�cie od tradycyjnych metod upra- wiania fizyki teoretycznej. Sformu�owanie sp�jnej elektrodynamiki kwantowej stano- wi�o milowy krok w rozwoju fizyki, ale wspominam o nim tu- taj przede wszystkim dlatego, �eby ukaza�, na czym polega� charakterystyczny styl Feynmana, kt�ry w okresie powojen- nym przyni�s� rozwi�zania wielu problem�w z r�nych dzie- dzin fizyki. Styl Feynmana najlepiej mo�na okre�li� jako mieszanin� poszanowania i lekcewa�enia konwencjonalnych prawd. Fizy- Przedmowa 9 ka to nauka �cis�a i �aden fizyk nie mo�e po prostu pomin�� zgromadzonej wiedzy, nawet gdyby nie by�a ona kompletna. Feynman ju� w m�odym wieku doskonale opanowa� znane za- sady fizyki i p�niej zajmowa� si� niemal wy��cznie problema- mi konwencjonalnymi. Nie by� typem geniusza, kt�ry ci�ko haruje na uboczu oficjalnej nauki i przypadkiem odkrywa fun- damentalne, nowe prawdy. Szczeg�lny talent Feynmana pole- ga� na podej�ciu do znanych problem�w w zupe�nie nowy, ory- ginalny spos�b. Feynman odrzuca� istniej�cy formalizm i tworzy� w�asne, bardzo intuicyjne metody. Wi�kszo�� fizyk�w teoretyk�w opiera si� na starannych obliczeniach matema- tycznych, kt�re s� rodzajem przewodnika przy pokonywaniu nieznanego terytorium. W por�wnaniu z tym metoda Feynma- na wydawa�a si� niemal beztroska. Badaj�c interesuj�ce go zagadnienia, Feynman okazywa� nie tylko zdrowe lekcewa�enie zasad rygorystycznego formali- zmu. Nie przestrzega� on w og�le �adnych regu� my�lenia lub regu� wymiany pogl�d�w. Trudno wyja�ni�, jakiego geniuszu wymaga takie podej�cie. Fizyka teoretyczna to jedno z najtrud- niejszych �wicze� intelektualnych; ��czy ona manipulacj� wielko�ciami abstrakcyjnymi, kt�rych nie mo�na sobie wy- obrazi�, ze skrajn� z�o�ono�ci� matematyczn�. Wi�kszo�� fizyk�w jest w stanie posuwa� si� do przodu w swych bada- niach w�a�nie dzi�ki przyj�ciu rygorystycznych regu� umys�o- wej dyscypliny Natomiast Feynman na poz�r ca�kowicie lek- cewa�y� taki kodeks, a jednak otrzymywa� nowe wyniki tak �atwo, jakby zrywa� dojrza�e owoce z drzewa wiedzy. Styl Feynmana w du�ym stopniu wynika� z jego osobowo- �ci. Wydawa�o si�, �e zar�wno w �yciu zawodowym, jak i oso- bistym Feynman traktowa� �wiat po prostu jak wspania�� gr�. Przyroda by�a dla niego zbiorem fascynuj�cych zagadek i wy- zwa�, podobnie zreszt� jak �rodowisko spo�eczne. Przez ca�e �ycie p�ata� r�ne psikusy, traktuj�c w�adze i uniwersytecki establishment z takim samym brakiem poszanowania, z jakim odnosi� si� do matematycznego formalizmu. Nie znosi� g�upo- ty i �ama� obowi�zuj�ce regu�y, ilekro� uzna�, �e s� one arbi- tralne lub absurdalne. W jego wspomnieniach mo�na znale�� 10 Charakter praw fizycznych zabawne opowie�ci o tym, jak starat si� przechytrzy� kontrwy- wiad podczas pracy w Los Alamos, jak otwiera� sejfy czy pod- bija� kobiety skandalicznie �mia�ym zachowaniem. Podobnie odni�s� si� do Nagrody Nobla, kt�r� otrzyma� za swoje prace z dziedziny elektrodynamiki kwantowej. Pr�cz niech�ci do formalizmu naukowego, Feynman wy- kazywa� fascynacj� dziwacznymi i tajemniczymi problemami z innych obszar�w. Wielu koleg�w zapami�ta�o jego obsesyjne zainteresowanie zapomnian� krain� Tuwa w Azji �rodkowej, o kt�rej opowiada� film dokumentalny nakr�cony na kr�tko przed jego �mierci� w 1988 roku. Spo�r�d innych jeszcze pasji Feynmana mo�na by wymieni� gr� na b�bnach bongo, malo- wanie, odwiedzanie lokali ze striptizem oraz pr�b� odcyfrowa- nia pisma Maj�w. Beztroskie podej�cie Feynmana do �wiata i fizyki sprawi�o, �e potrafi� zaskakuj�co sprawnie przekazywa� swoje pogl�dy. Nie mia� cierpliwo�ci, by wyk�ada� w uporz�dkowany spos�b i prowadzi� doktorant�w w Caltech, gdzie pracowa�. Nato- miast gdy mia� na to ochot�, potrafi� by� b�yskotliwym m�w- c�. Jego wyk�ady odznacza�y si� dowcipem, niezwyk�� przeni- kliwo�ci� i brakiem poszanowania dla ustalonej wiedzy, zgodnym ze stylem jego bada� naukowych. W po�owie lat sze��dziesi�tych Feynman zgodzi� si� wy- g�osi� cykl popularnych wyk�ad�w na Uniwersytecie Cornella w stanie Nowy Jork. Przedmiotem wyk�ad�w mia�y by� prawa fizyki. Wyk�ady zosta�y nagrane przez telewizj� BBC, a p�niej opublikowane w postaci ksi��ki. Przeczyta�em j� pod koniec lat sze��dziesi�tych, gdy studiowa�em fizyk�; by�a to dla mnie fascynuj�ca lektura. Najwi�ksze wra�enie sprawia zr�czno��, z jak� Feynman wprowadza trudne poj�cia fizyczne, wycho- dz�c ze skromnych za�o�e� i obywaj�c si� przy tym bez mate- matyki oraz naukowego �argonu. Feynman z wielkim talentem pos�uguje si� analogiami z �ycia codziennego, aby wyja�ni� istot� g��bokich prawd fizycznych, bez zaciemniania ich po- zbawionymi znaczenia szczeg�ami. Nigdy nie zapomn� jego analogii mi�dzy pr�b� wytarcia si� za pomoc� mokrego r�cz- nika a zasad� zachowania energii. Przedmowa 11 O wyborze temat�w, kt�re znalaz�y si� w niniejszej ksi��- ce, nie zadecydowa�o bynajmniej d��enie do przedstawienia mo�liwie kompletnego przegl�du fizyki wsp�czesnej. Feyn- manowi chodzi�o raczej o zaprezentowanie swoich pogl�d�w na temat zasadniczych problem�w fizyki teoretycznej. Fizyka opiera si� na koncepcji praw przyrody. Zgodnie z t� koncepcj� istnieje uporz�dkowany Wszech�wiat, daj�cy si� poj�� za po- moc� racjonalnego rozumowania. Gdy obserwujemy zjawiska fizyczne, nie dostrzegamy, oczywi�cie, bezpo�rednio praw fizyki. S� one ukryte, zaszyfrowane w badanych zjawiskach. Zapewne najs�ynniejszym prawem fizycznym jest prawo powszechnego ci��enia Newtona, kt�re Feynman omawia w pierwszym wyk�adzie. Wi�kszo�� innych praw opisuje roz- maite si�y przyrody, kt�re dzia�aj� mi�dzy cz�stkami elemen- tarnymi. Istniej� dok�adnie cztery takie oddzia�ywania, a Feyn- man mo�e si� pochwali�, �...
kobazyl