Filozofia nauki według Richarda Feynmana

Semina Nr 17 Scientiarum 2018 s. 5–19 DOI: http://dx.doi.org/10.15633/ss.3513 Genowefa Slósarek Filozofia nauki według Richarda Feynmana Richard Feynman (1918–1988) uważany jest za jednego z największych fizyków teoretyków XX wieku. Najważniejszym polem jego działalności naukowej była mechanika kwantowa. Rozbudował ją znacznie przez rozwinięcie elektrodynamiki w ramach teorii kwantów. Pewne uproszczone wyjaśnienie zawiera tytuł jednego z licznych zbiorów jego wykładów, a mianowicie – elektrodynamika kwantowa to osobliwa teoria światła i materii1. Teoria ta łączy w sobie podstawy mechaniki kwantowej z elektrodynamiką i szczególną teorią względności. Początkiem badań na ten temat była praca Paula Diraca z 1927 roku2. Dirac po raz pierwszy wprowadził wówczas zasady mechaniki kwantowej do opisu pola oddziaływań3. Opracował między innymi kwantową teorię oscylatora harmonicznego. We wskazanej publikacji po raz pierwszy wprowadził pojęcie ‘elektrodynamika kwantowa’. 1 Zob. R. P. Feynman, QED osobliwa teoria światła i materii, tłum. H. Białkowska, Warszawa 1992. 2 Zob. P. A. M. Dirac, The quantum theory of emission and absorption of radiation, „Proceedings of the Royal Society of London” A114 (1927), s. 243–256. 3 Paul Adrien Maurice Dirac (1902–1984) – fizyk angielski, jeden z twórców nowoczesnej mechaniki kwantowej. Wspólnie z Erwinem Schrödingerem otrzymał w roku 1933 nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie nowej, efektywnej teorii atomowej. Przedstawił (1928) relatywistyczną teorię elektronu i przewidział istnienie pozytonu jako antycząstki w stosunku do elektronu. 6 Genowefa Slósarek Kolejnym, ważnym krokiem w budowaniu nowej teorii był artykuł Wernera Heisenberga4 oraz Wolfganga Pauliego5, w którym przedstawili oni podstawy ogólnej, kwantowej teorii pola (elektrodynamika kwantowa jest jej pierwszym przykładem) i zdefiniowali jej strukturę6. Wkrótce w analizie elektrodynamiki kwantowej pojawiły się jednak bardzo istotne trudności i teoria musiała być znacznie zmodyfikowana. Trudności te dotyczyły w szczególności nieskończonej wartości energii w oddziaływaniu elektronu z samym sobą oraz nieskończonej ilości stopni swobody związanych z polem oddziaływań. Z istnieniem tych problemów Feynman zapoznał się, będąc jeszcze studentem pierwszego stopnia w MIT (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts). Jak wspomina w swoim wykładzie noblowskim7, zainteresował się tymi zagadnieniami po lekturze książek Heitlera i Diraca8. W czasie wspomnianego wykładu zauważa między innymi: „Zainteresowały mnie uwagi, jakie znalazłem w tych książkach. Nie w tych fragmentach, gdzie wszystko było starannie opracowane, obliczone i udowodnione; w tamtym czasie nie rozumiałem ich jeszcze dobrze. Jako młody adept rozumiałem jednak uwagi o rzeczach, które wymykały się analizie. Do dzisiaj pamiętam ostatnie zdanie z książki Diraca – «Wydaje się, że potrzebne są jeszcze jakieś nowe istotne idee fizyczne.» Potraktowałem 4 Werner Heisenberg (1901–1976) – fizyk niemiecki, jeden z twórców nowoczesnej mechaniki kwantowej. Za jedno z najważniejszych osiągnięć uważa się sformułowanie zasady nieoznaczoności. W roku 1932 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za teorię, której zastosowanie pozwoliło odkryć odmiany alotropowe wodoru. 5 Wolfgang Ernst Pauli (1900–1958) – austriacki fizyk teoretyk, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1945) za sformułowanie prawa zwanego obecnie „zakazem Pauliego”. Do innych ważnych osiągnięć Pauliego należy analiza rozpadu b i przedstawienie hipotezy o istnieniu neutrina elektronowego oraz wprowadzenie tzw. macierzy Pauliego do opisu spinu elektronowego. 6 W. Heisenberg, W. Pauli, Zur Quantendynamik der Wellenfelder, „Zeitschrift für Physik“ 56 (1929), s.1–61. 7 R. P. Feynman, The Development of the Space-Time View of Quantum Electrodynamics, “Nobel lecture – Les Prix Nobel en 1965”, Stockholm (1966). 8 Prawdopodobnie chodzi o książki: W. Heitler, Quantum theory of radiation, Oxford 1936 oraz P.A.M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford 1930. Filozofia nauki według Richarda Feynmana 7 je jak wyzwanie i inspirację”9. Feynman pracował nad tymi problemami wspólnie z Johnem Wheelerem10 w latach 1940–1941 oraz później, po zakończeniu wojny11. Ostatecznie znalezienie poprawnego rozwiązania zajęło mu osiem lat, aż do momentu opublikowania ostatecznego wyjaśnienia w 1948 roku. Uważa się, że istotne znaczenie dla nowego opracowania teoretycznego miały dyskusje prowadzone podczas konferencji na Shelter Island w 1947 roku12. To nowe ujęcie opracowywali niezależnie od siebie Sin-Itiro Tomonaga13, Julian Schwinger14 oraz Richard Feynman. Za swoje prace zostali nagrodzeni Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1965. Po wojnie Feynman podjął pracę w Uniwersytecie Cornella (Cornell University, Ithaca, New York). To tu w ciągu około siedmiu lat powstały publikacje na temat elektrodynamiki kwantowej. W roku 1950 przeniósł się do Caltech (California Institute of Technology, Pasadena, California). Lata 1953–1958 Feynman poświęcił pracom dotyczącym fizyki materii skondensowanej. Tematem wiodącym były zagadnienia nadciekłości helu. W sposób odmienny od Londona15 9 R. P. Feynman, The Development of the Space-Time View of Quantum Electrodynamics, „Nobel lecture – Les Prix Nobel en 1965”, Stockholm (1966). 10 John Archibald Wheeler (1911–2008) – fizyk amerykański. Początkowo zajmował się teorią budowy jądra atomowego, w szczególności modelem kroplowym jądra. Brał udział w pracach w ramach Manhattan Project oraz w pracach nad budową bomby wodorowej. Zajmował się też problemami ogólnej teorii względności Einsteina. 11 J. Schwinger, A Path to Quantum Electrodynamics, “Physics Today” 42 (1989), s. 42–48. 12 F. J. Dyson, Feynman at Cornell, “Physics Today” 42 (1989), s. 32–38. 13 Sin–Itiro Tomonaga (1906–1979) – fizyk japoński. W zakresie badań dotyczących elektrodynamiki kwantowej wsławił się wprowadzeniem teorii renormalizacji. Zajmował się również wybranymi problemami z zakresu fizyki jądrowej oraz fizyki promieniowania kosmicznego. 14 Julian Schwinger (1918–1994) – fizyk amerykański. Na początku swojej kariery zainteresował się między innymi budową akceleratorów elektronów i zachowaniem się strumienia elektronów w polu magnetycznym. Te prace doprowadziły go do rozważań na temat podstawowych problemów elektrodynamiki kwantowej. Zajmował się również zagadnieniami z zakresu fizyki cząstek elementarnych. 15 Fritz Wolfgang London (1900–1954) – fizyk amerykański pochodzenia niemieckiego. Jego najważniejszym osiągnięciem były prace z zakresu teorii wiązania chemicznego i oddziaływań molekularnych (siły dyssypacyjne Londona). Zajmował się także zagadnieniami magnetyzmu nadprzewodników. 8 Genowefa Slósarek czy Landaua16 opisał między innymi mechanizm przejścia fazowego λ pomiędzy fazą ciekłą i stanem nadciekłości helu. Zajmował się też zjawiskiem powstawania polaronów w kryształach jonowych. Odpowiednio opracowane wyniki tych badań były treścią wykł (...truncated)