• Главная
  • Карта сайта
Не найдено

Personalia: "Ви, звичайно, жартуєте, містер Фейнман"

"Цей вислів математичної краси природи, її внутрішніх механізмів; розуміння того, що явища, які ми бачимо, походять із складності невидимого взаємодії атомів; відчуття того, наскільки драматично і дивно воно."

15 лютого виповнюється 15 років з дня смерті видатного фізика минулого століття, Нобелівського лауреата 1965 року Річарда Філліпса Фейнмана, чия творчість багато в чому визначило подальший розвиток фізики і технології. Пропонований нижче матеріал - запрошення згадати Фейнмана-фізика і Фейнмана-людини.


Це все - він ...

Ричард Фейнман народився в Нью-Йорку 11 травня 1918 року в родині Мелвілла Артура Фейнмана і Люсіль Філліпс. Батько завідував відділом збуту фабрики з виготовлення форменого одягу, але при цьому цікавився і природничими науками і прихильно сприймав заняття сина в домашній лабораторії, де Річард не раз влаштовував справжні шоу для сусідів і шкільних товаришів з демонстрацією всяких хімічних фокусів. Захоплювався він і радіотехнікою, що вже в середній школі дозволяло йому заробляти на кишенькові витрати лагодженням радіоприймачів. У шкільні ж роки стали проявлятися і його оригінальні теоретичні здібності. Він був капітаном шкільної команди з алгебри і відрізнявся здатністю розглядати найголоволомніші задачі в цілому, минаючи громіздкі обчислення.

Його інтуїція фізика-теоретика проявилася вже в роки навчання в Массачусетському технологічному інституті (1935-1939), коли він усвідомив, що без залучення радикальних ідей ключові проблеми бурхливо розвивалася в той час квантової електродинаміки - теорії взаємодії елементарних частинок між собою і з електромагнітним полем - не дозволили. А головна проблема полягала в тому, що облік самодії електрона приводить в кінцевому підсумку до появи нескінченних значень для маси і заряду цієї частки, що фізично абсолютно абсурдно. Фейнман називає допущення самодії в теорії "дурним" і робить свій радикальний крок - він взагалі відмовляється від концепції поля. У накидають їм теорії електрони взаємодіють тільки з іншими електронами з деяким запізненням в силу вимог спеціальної теорії відносності. Турбували фізиків нескінченності таким чином усувалися, хоча цілком задовільною теорії Фейнману тоді побудувати не вдалося.

Однак Фейнману пощастило: в аспірантурі Принстонського університету його наставником стає знаменитий Джон Арчибальд Вілер, сам був колись учнем А. Ейнштейна. Зустрілися два романтика, вільні від наукових стереотипів і забобонів. Учитель підтримав шукання молодого вченого і запропонував випробувати зовсім вже радикальний шлях: допустити, що, крім запізнілого впливу електронів один на одного, значення має також і випереджальне вплив, тобто що еволюція системи залежить не тільки від її минулого стану, а й, по крайней мере, від найближчого можливого майбутнього або, що те ж саме, допустити зворотний хід часу. Ні Фейнмана, ні Уилера остання обставина нітрохи не бентежило, так як в результуючої картині причинність повністю відновлювалася. До ідеї руху назад в часі Р. Фейнман повернеться ще не раз, наприклад, розробляючи свою діаграмну техніку, яка ілюструє процеси взаємоперетворення елементарних частинок, де античастинки інтерпретувалися як частинки, що рухаються назад в часі, або при поясненні можливої ​​природи негативних ймовірностей, що виникають в квантовій теорії .

В кінцевому рахунку шукання молодого вченого увінчалися успіхом. До 1948 їм була завершена розробка нового формулювання квантової механіки у вигляді функціональних інтегралів по траєкторіям (тепер їх називають ще Фейнмановские інтегралами), і в 1949 році створив свою знамениту діаграмну техніку (Фейнмановские діаграми, см.рис.) - все це в нині ключові методи в теорії квантованих полів. Розроблений Фейнманом варіант квантової електродинаміки дозволив пояснити загадковий "лембів зсув", аномальний магнітний момент електрона і деякі інші властивості елементарних частинок. За значний внесок у розвиток квантової електродинаміки в 1965 р Р. Фейнман (спільно з С. Томонага і Ю. Швінгер) був удостоєний почесної Нобелівської премії. На сьогоднішній день це одна з найбільш розроблених фізичних теорій.

Але цим внесок Фейнмана в фізику, природно, не вичерпується. Так, в 1958 році він разом зі своїм співробітником Мюреєм Гелл-Маном (автором терміну "кварк") розробив теорію слабких взаємодій, яка, зокрема, пояснювала процес випускання бета-частинок радіоактивними ядрами. У 1969 р запропонував "Партон" модель нуклона. У 1972 р, використовуючи свою діаграмну техніку, побудував полуфеноменологіческую теорію народження нових частинок при зіткненнях (масштабна інваріантність). Крім того, створив теорію квантових вихрів в сверхтекучем гелії (1988), запропонував застосовувати методи теорії збурень для квантування гравітаційного поля і багато-багато іншого.

Річард Фейнман був блискучим лектором і вчителем "від бога". Він сам не мислив себе поза студентської аудиторії і в цьому також був дуже схожий на свого вчителя Дж.А. Уилера. Талант Фейнмана-наставника цілком очевидний в його складеному разом з учнями багатотомних "Фейнмановских лекціях з фізики" 1.

Фейнман був тричі одружений. Його перша дружина Армія Х. Гринбаум в 1945 р померла від туберкульозу. Другий шлюб з Мері Луїз Белл (1952 г.) був невдалим і закінчився розлученням. І, як в казці, лише третя спроба виявилася вдалою. У 1960 році Фейнман в Англії одружився на Гвенет Ховарт і мав з нею сина і дочку.

У житті Фейнман був настільки ж різнобічним і оригінальним, як і в науці. Так, під час поїздки до Бразилії він навчився грати на барабанах "бонго". Захоплювався мовами, зокрема, вивчав японську мову і брав участь в дешифрування писемності майя. Працюючи в Лос-Аламосі, Фейнман розважався тим, що розкривав сейфи, містять секретну інформацію про атомну зброю, природно, не забуваючи при цьому про наукову цінність таких "експериментів". У Лас-Вегасі він вивчав тонкощі роботи картярів і танцівниць. Із захопленням займався живописом: він брав уроки у свого друга художника Жирара Зортіана, натомість навчаючи того основам квантової механіки; пізніше Фейнман удосконалював свою художню майстерність під керівництвом Тома Ван Санта (Tom Van Sant). Фейнман жваво цікавився, хоча і не без відомої частки скепсису, парапсихологією. І т.д. Своє життя, як своєрідне інтелектуальне пригода, Фейнман описав в захоплюючій книжці "Ви, звичайно, жартуєте, містер Фейнман", яка стала бестселлером2.


На порозі квантового світу

Займаючись переважно вивченням законів світу квантових об'єктів, Фейнман, як ніхто інший, розумів, що рано чи пізно, але, у всякому разі, досить скоро, технологічний розвиток призведе до необхідності врахування особливостей цього світу. І вже в далекому 1959 на щорічних зборах Американського фізичного товариства в Каліфорнійському технологічному інституті Фейнман дозволив собі заглянути в технологічне майбутнє цивілізації в своїй промові "There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics", що можна було б перекласти як "в глибинах - надлишок місця: запрошення увійти в нову область фізики" 3.

У цій промові він пророчо зауважив: "У 2000 році, коли звернулись цю епоху, то здивуються, чому ж на порозі 60-х ніхто серйозно не став рухатися в цьому напрямку". Під "цим напрямком" Фейнман мав на увазі рішення задачі маніпулювання і управління об'єктами в дуже малих масштабах, тобто то, що тепер узагальнено називається нанотехнологіями. Власне, саме цю програмну промову Фейнмана і розглядають найчастіше як початок історії нанотехнологій.

Фейнман звертає увагу на потенційно невичерпну інформаційну ємність об'єктів мікросвіту. Для цього він використовує уявний експеримент по запису "Енциклопедії Британіки" в просторової області, рівній голівці шпильки. І в кінцевому підсумку показує, що на носіях дуже малої площі можна практично записати все цінне, створене людством протягом його довгої історії, вирішивши, тим самим, проблему зберігання, тиражування і передачі цієї колосальної інформації. Відштовхуючись від прикладу живої клітини, Фейнман висуває ідею створення мікропристроїв, які також могли б діяти в дуже малих просторових областях, тобто того, що тепер називається Мікроелектромеханічні системами - МЕМС (MEMS). І вже тоді виникає ідея використання таких наномашин в мікрохірургії. Фейнман посилається тут на свого друга Альберта Р. Гіббса (Albert R. Hibbs). Згідно Гиббсу, хворий міг би просто ковтати подібних "нанохірургію". Через 40 років після доповіді ідея нанохірургію з розряду наукових фантазій "на грані фолу" перейшла в категорію інтенсивних досліджень.

Далі Фейнман робить природний перехід до обговорення проблеми мініатюризації комп'ютерів. Щоб зробити комп'ютери більш швидкими, їх компоненти повинні ставати все миниатюрнее. Але Фейнман не мав на увазі розвиток напівпровідникових технологій, він говорить про провідниках діаметром в 10 або 100 атомів і мікрочіпах розміром в кілька тисяч ангстрем. Тепер вони називаються нанопровідники (nanowires) і наносхеми (nanocircuits).

І Фейнман ставить питання: "Що сталося б, якби ми могли мати у своєму розпорядженні атоми один за одним по нашому бажанню (звичайно, в розумних межах ...)". Перш за все, відповідає він, це дало б можливість створення або зовсім нових, або відомих, але надчистих матеріалів. Але це дозволило б створювати мініатюрні багатошарові мікросхеми, зв'язок між якими в створюваних з них пристроях здійснювалася б оптично за допомогою світла. Так що Фейнмана можна вважати і основоположником фотоніки, активно розвивається в даний час.

І Фейнман робить висновок історичної важливості, по суті, адресований вже ХХІ сторіччя. Він звертає увагу, що атоми як мікрочастинки поводяться зовсім не так, як об'єкти макросвіту. Вони підпадають під дію законів квантової механіки. А тому створювати треба буде не просто дуже маленькі мікросхеми, але системи, які використовували б квантовані енергетичні рівні, взаємодії квантових спинив і т.п. Так що до цієї історичної доповіді Фейнмана сходять і такі сучасні ідеї, як квантовий комп'ютер і спінтроніка.

Щоб привернути увагу у молодих вчених до цієї нової інтригуючою галузі досліджень і розробок, Ричард Фейнман засновує дві премії по 1000 доларів кожна. Першу - тому, хто перший зможе упакувати інформацію з книжкової сторінки в області, меншої площі самої сторінки в 25000 разів. Другу - тому, хто зможе зробити діючий, керований ззовні електромоторчик розміром всього 1/64 кубічного дюйма (0,26 см3). Свій виступ Фейнман закінчив словами: "Я не думаю, що такі премії будуть занадто довго чекати претендентів".

Можна тільки дивуватися, як в порівняно невеликої промови Фейнману вдалося накидати цілу програму майбутнього технологічного розвитку на багато десятиліть вперед. Адже практично всі його прозріння стали дійсно актуальними тільки до кінця ХХ століття.


На лінії прориву

Швидше за все, коло проблем, змальований в промові в Калтесі в 1959 році, не переставав хвилювати Фейнмана і в наступні десятиліття. Але лише через двадцять з гаком років він повертається до цієї теми. Завдання залишається, в общем-то, тим самим: як навчитися маніпулювати об'єктами мікросвіту, котрі підпорядковуються законам квантової механіки, зокрема, розташовувати атоми за своїм бажанням для отримання матеріалів із заданими властивостями. Зрозуміло, що для цього необхідно вміти моделювати поведінку (еволюцію) складних квантових систем. У загальному випадку задача здавалася практично нерозв'язною.

І ось в 1982 році в International Journal of Theoretical Physics (Vol. 21, P. 467-488) Р. Фейнман публікує статтю "Моделювання фізики на комп'ютерах" 4, в якій показує, що в той час, як класична фізика, в принципі , допускає цілком точне моделювання на комп'ютері, квантова фізика в загальному випадку такої можливості не надає, оскільки "якщо опис ізольованій частині природи з N змінними вимагає загальної функції з N змінними і якщо комп'ютер моделює це за допомогою обчислення або зберігання цієї функції, то подвоєння розміру цієї частини природи ( N> 2N) зажадає експоненціального зростання розмірів моделює комп'ютера. Таким чином, відповідно до встановлених правил моделювати ймовірність неможливо ".

Але тоді виникає питання: чи можливо взагалі будь-яким чином моделювати поведінку квантово-механічних систем? Один з природних відповідей на це питання - це допущення, щоб і сам моделює комп'ютер складався з квантово-механічних елементів. Фейнман намагається попередньо визначити, яку систему можна було б розглядати як універсального квантового моделює пристрої за аналогією з універсальним комп'ютером Тьюринга. Можливість моделювання квантово-механічних систем навіть на імовірнісному класичному комп'ютері він категорично заперечує. Причина в тому, що функції (функція Вігнера, наприклад), які в даному випадку служили б аналогами класичних ймовірностей, можуть приймати негативні значення, а це класично Ніяк не смоделіруешь.

До теми квантових обчислень Ричард Фейнман повертається ще раз через кілька років. У лютому 1985 році спочатку в бюлетені Optics News (P. 11-20), а потім в журналі Foundations of Physics (1986, Vol. 16, P. 507-531) він публікує статтю "Квантово-механічні комп'ютери" 5. Приблизно в цей же час з'являється і класична стаття Девіда Дойча "Квантова теорія, принцип Черча-Тьюринга і універсальний квантовий комп'ютер ", В якій він вперше викладає математичну теорію квантових обчислень . Прорив інформаційних технологій в квантовий світ, принаймні, теоретично відбувся.

У своїй статті Р. Фейнман шукає відповідь на питання: чи існують фундаментальні фізичні обмеження (зокрема, термодинамічні) на обчислення на квантовому комп'ютері, крім обмежень на розмір основних елементів (наприклад, один атом)? І знаходить, що таких принципових обмежень немає, тобто універсальний квантовий комп'ютер, в принципі, може бути побудований. Пізніше з'ясувалося, що це не так (Сет Ллойд), але квантовий комп'ютер дійсно виявляється граничним універсальним обчислювальним пристроєм.

Фейнман далі показує, що всі основні логічні операції і засновані на них складні обчислення можуть бути представлені як унітарна перетворення стану квантово-механічної системи і що якщо не враховувати взаємодію з середовищем в процесі приготування початкового стану і зчитування результату обчислення, то диссипация енергії мінімальна, що абсолютно не досяжною для класичних пристроїв, побудованих на транзисторах.

Слід зазначити, що в даній статті Фейнман використовує далеко не всі особливості квантово-механічних систем для реалізації обчислювальних алгоритмів. Швидше, в ній обговорювалася принципова можливість побудови аналогів класичних логічних елементів (гейтов) на основі деяких властивостей дворівневих квантових систем. Зокрема, роль суперпозиції станів обговорювалася лише мимохідь. Втім, до появи терміна "кюбіт" пройде ще 10 років (Б. Шумахер, 1995).

Однак вирішальне (і авторитетне!) Слово було сказано. І через 20 років після піонерської публікації Річарда Фейнмана квантові обчислення і квантова теорія інформації - це вже не область сміливих теоретичних проривів в майбутнє, а широкомасштабна копітка робота з пошуку найбільш ефективних практичних реалізацій квантових комп'ютерів. І ця перспективна галузь досліджень, як і безліч інших, назавжди буде пов'язана з ім'ям Річарда Фейнмана - видатного фізика і просто веселу людину.

Сергій САНЬКО, [email protected]


1 Російський переклад його популярних лекцій з фізики "Характер фізичних законів" можна знайти за адресою: vivovoco.nns.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN .

2 Найбільш повну збірку перекладених російською мовою фрагментів цієї книги можна знайти на: qed.chat.ru/bibliote/Feyn_joke.zip .

3 Розшифровка мови знаходиться на сайті: www.zyvex.com/nanotech/feynman.html ).

4 Не дуже хороший російський переклад можна знайти за адресою: old.rcd.ru/qc/contents/1999-2/pdf/feymod.zip )

5 Оригінальний текст: kh.bu.edu/qcl/pdf/feynmanr19860b1c6f60.pdf , Поганий російський переклад: old.rcd.ru/qc/cotents/1999-2/pdf/feyqmc.zip )


Фейнман Річард Філліпс, (Feynman Richard Phillips, 11.05.18-15.02.88) - видатний американський фізик, який зробив значний внесок у розвиток квантової механіки, квантової електродинаміки і заклав основи теорії квантових обчислень.

Ричард Фейнман народився 11 травня 1918 в Нью-Йорку.

У 1939 р получил степень бакалавра в Массачусетському технологічному інстітуті, а в 1942 р - степень доктора наук в Прінстонському університеті. Пізніше був професором теоретичної фізики Корнельського університету (1945-1950) і Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені (1950-1988). Під час другої світової війни працював в рамках американського ядерного Манхеттенського проекту.

Р. Фейнман мав багато почесні нагороди, серед яких - Премія Альберта Ейнштейна (1954), Ейнштейнівська премія (1962) і ін. Але пізніше інші дослідники ставали лауреатами премії його імені.

У 1965 році разом з Юліаном Швінгера і Синь Ітіро Томонага був нагороджений Нобелівською премією за значний внесок у розвиток квантової електродинаміки.

Професор Фейнман був членом багатьох наукових товариств: Американського фізичного товариства, Американської асоціації наукового прогресу, Національної академії наук. У 1965 р був обраний іноземним членом Лондонського Королівського товариства.

Річард Фейнман був одружений на Гвенет Ховарт. У них були діти: син Карл Ричард (народився 22 квітня 1961 г.) і дочка Мішель Катерин (народилася 13 серпня 1968 р.)

Ричард Фейнман - автор багатьох книг, серед яких найвідоміша - це многотомник "Фейнмановские лекції з фізики". Крім того, йому належать такі твори, як "Характер фізичних законів" (1967), "Статистична механіка" (1972), "Ви, звичайно, жартуєте, містер Фейнман" (1985), "Яке вам діло, що думають інші?" (1988) і безліч інших.

Помер Річард Фейнман в Лос-Анджелесі (штат Каліфорнія) 15 лютого 1988 р

Але тоді виникає питання: чи можливо взагалі будь-яким чином моделювати поведінку квантово-механічних систем?
Новости
Провайдеры:
  • 08.09.2015

    Batyevka.NET предоставляет услуги доступа к сети Интернет на территории Соломенского района г. Киева.Наша миссия —... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    IPNET

    Компания IPNET — это крупнейший оператор и технологический лидер на рынке телекоммуникаций Киева. Мы предоставляем... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    Boryspil.Net

    Интернет-провайдер «Boryspil.net» начал свою работу в 2008 году и на данный момент является одним из крупнейших поставщиков... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    4OKNET

    Наша компания работает в сфере телекоммуникационных услуг, а именно — предоставлении доступа в сеть интернет.Уже... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    Телегруп

    ДП «Телегруп-Украина» – IT-компания с 15-летним опытом работы на рынке телекоммуникационных услуг, а также официальный... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    Софтлинк

    Высокая скоростьМы являемся участником Украинского центра обмена трафиком (UA — IX) с включением 10 Гбит / сек... 
    Читать полностью