15 февраля исполняется 15 лет со дня смерти выдающегося физика прошлого столетия, Нобелевского лауреата 1965 года Ричарда Филлипса Фейнмана, чье творчество во многом предопределило дальнейшее развитие физики и технологии. Предлагаемый ниже материал - приглашение вспомнить Фейнмана-физика и Фейнмана-человека.

Это все - он...

Ричард Фейнман родился в Нью-Йорке 11 мая 1918 года в семье Мелвилла Артура Фейнмана и Люсиль Филлипс. Отец заведовал отделом сбыта фабрики по изготовлению форменной одежды, но при этом интересовался и естественными науками и благосклонно воспринимал занятия сына в домашней лаборатории, где Ричард не раз устраивал настоящие шоу для соседей и школьных товарищей с демонстрацией всяких химических фокусов. Увлекался он и радиотехникой, что уже в средней школе позволяло ему зарабатывать на карманные расходы починкой радиоприемников. В школьные же годы стали проявляться и его оригинальные теоретические способности. Он был капитаном школьной команды по алгебре и отличался способностью рассматривать головоломные задачи в целом, минуя громоздкие вычисления.

Его интуиция физика-теоретика проявилась уже в годы учебы в Массачусетском технологическом институте (1935-1939), когда он осознал, что без привлечения радикальных идей ключевые проблемы бурно развивавшейся в то время квантовой электродинамики - теории взаимодействия элементарных частиц между собой и с электромагнитным полем - не разрешить. А главная проблема заключалась в том, что учет самодействия электрона приводит в конечном итоге к появлению бесконечных значений для массы и заряда этой частицы, что физически совершенно абсурдно. Фейнман называет допущение самодействия в теории "глупым" и делает свой радикальный шаг - он вообще отказывается от концепции поля. В набрасываемой им теории электроны взаимодействуют только с другими электронами с некоторым запаздыванием в силу требований специальной теории относительности. Беспокоившие физиков бесконечности таким образом устранялись, хотя вполне удовлетворительной теории Фейнману тогда построить не удалось.

Однако Фейнману повезло: в аспирантуре Принстонского университета его наставником становится знаменитый Джон Арчибальд Уилер, сам бывший некогда учеником А. Эйнштейна. Встретились два романтика, свободные от научных стереотипов и предрассудков. Учитель поддержал искания молодого ученого и предложил опробовать совсем уж радикальный путь: допустить, что, кроме запаздывающего воздействия электронов друг на друга, значение имеет также и опережающее воздействие, т.е. что эволюция системы зависит не только от ее прошлого состояния, но и, по крайней мере, от ближайшего возможного будущего или, что то же самое, допустить обратный ход времени. Ни Фейнмана, ни Уилера последнее обстоятельство ничуть не смущало, так как в результирующей картине причинность полностью восстанавливалась. К идее движения вспять во времени Р. Фейнман вернется еще не раз, например, разрабатывая свою диаграммную технику, иллюстрирующую процессы взаимопревращений элементарных частиц, где античастицы интерпретировались как частицы, движущиеся вспять во времени, или при объяснении возможной природы отрицательных вероятностей, возникающих в квантовой теории.

В конечном счете искания молодого ученого увенчались успехом. К 1948 г. им была завершена разработка новой формулировки квантовой механики в виде функциональных интегралов по траекториям (теперь их называют еще фейнмановскими интегралами), и в 1949 г. создал свою знаменитую диаграммную технику (фейнмановские диаграммы, см.рис.) - все это в настоящее время ключевые методы в теории квантованных полей. Разработанный Фейнманом вариант квантовой электродинамики позволил объяснить загадочный "лэмбовский сдвиг", аномальный магнитный момент электрона и некоторые другие свойства элементарных частиц. За значительный вклад в развитие квантовой электродинамики в 1965 г. Р. Фейнман (совместно с С. Томонагой и Ю. Швингером) был удостоен почетной Нобелевской премии. На сегодняшний день это одна из наиболее разработанных физических теорий.

Но этим вклад Фейнмана в физику, естественно, не исчерпывается. Так, в 1958 г. он вместе со своим сотрудником Мюреем Гелл-Маном (автором термина "кварк") разработал теорию слабых взаимодействий, которая, в частности, объясняла процесс испускания бета-частиц радиоактивными ядрами. В 1969 г. предложил "партонную" модель нуклона. В 1972 г., используя свою диаграммную технику, построил полуфеноменологическую теорию рождения новых частиц при столкновениях (масштабная инвариантность). Кроме того, создал теорию квантованных вихрей в сверхтекучем гелии (1988), предложил применять методы теории возмущений для квантования гравитационного поля и многое-многое другое.

Ричард Фейнман был блистательным лектором и учителем "от бога". Он сам не мыслил себя вне студенческой аудитории и в этом также был очень похож на своего учителя Дж.А. Уилера. Талант Фейнмана-наставника вполне очевиден в его составленном вместе с учениками многотомных "Фейнмановских лекциях по физике"¹.

Фейнман был трижды женат. Его первая жена Армия Х. Гринбаум в 1945 г. умерла от туберкулеза. Второй брак с Мэри Луиз Белл (1952 г.) был неудачным и закончился разводом. И, как в сказке, лишь третья попытка оказалась удачной. В 1960 году Фейнман в Англии женился на Гвенет Ховарт и имел с ней сына и дочь.

В жизни Фейнман был столь же разносторонним и оригинальным, как и в науке. Так, во время поездки в Бразилию он обучился играть на барабанах "бонго". Увлекался языками, в частности, изучал японский язык и принимал участие в дешифровке письменности майя. Работая в Лос-Аламосе, Фейнман развлекался тем, что вскрывал сейфы, содержащие секретную информацию об атомном оружии, естественно, не забывая при этом о научной ценности таких "экспериментов". В Лас-Вегасе он изучал тонкости работы картежников и танцовщиц. С увлечением занимался живописью: он брал уроки у своего друга художника Жирара Зортиана, взамен обучая того основам квантовой механики; позднее Фейнман совершенствовал свое художественное мастерство под руководством Тома Ван Санта (Tom Van Sant). Фейнман живо интересовался, хотя и не без известной доли скепсиса, парапсихологией. И т.д. Свою жизнь, как своеобразное интеллектуальное приключение, Фейнман описал в увлекательной книжке "Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман", которая стала бестселлером².

На пороге квантового мира

Занимаясь преимущественно изучением законов мира квантовых объектов, Фейнман, как никто другой, понимал, что рано или поздно, но, во всяком случае, довольно скоро, технологическое развитие приведет к необходимости учета особенностей этого мира. И уже в далеком 1959 г. на ежегодном собрании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте Фейнман позволил себе заглянуть в технологическое будущее цивилизации в своей речи "There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics", что можно было бы перевести как "В глубинах - преизбыток места: приглашение войти в новую область физики"³.

В этой речи он пророчески заметил: "В 2000 году, когда оглянутся на эту эпоху, то удивятся, почему же на пороге 60-х никто серьезно не стал двигаться в этом направлении". Под "этим направлением" Фейнман имел в виду решение задачи манипулирования и управления объектами в очень малых масштабах, т.е. то, что теперь обобщенно называется нанотехнологиями. Собственно, именно эту программную речь Фейнмана и рассматривают чаще всего как начало истории нанотехнологий.

Фейнман обращает внимание на потенциально неисчерпаемую информационную емкость объектов микромира. Для этого он использует мысленный эксперимент по записи "Энциклопедии Британики" в пространственной области, равной булавочной головке. И в конечном итоге показывает, что на носителях очень малой площади можно практически записать все ценное, созданное человечеством на протяжении его долгой истории, решив, тем самым, проблему хранения, тиражирования и передачи этой колоссальной информации. Отталкиваясь от примера живой клетки, Фейнман выдвигает идею создания микроустройств, которые также могли бы действовать в очень малых пространственных областях, т.е. того, что теперь называется микроэлектромеханическими системами - МЭМС (MEMS). И уже тогда возникает идея использования таких наномашин в микрохирургии. Фейнман ссылается тут на своего друга Альберта Р. Гиббса (Albert R. Hibbs). Согласно Гиббсу, больной мог бы просто глотать подобных "нанохирургов". Спустя 40 лет после доклада идея нанохирургии из разряда научных фантазий "на грани фола" перешла в категорию интенсивных исследований.

Далее Фейнман делает естественный переход к обсуждению проблемы миниатюризации компьютеров. Чтобы сделать компьютеры более быстрыми, их компоненты должны становиться все миниатюрнее. Но Фейнман не имел в виду развитие полупроводниковых технологий, он говорит о проводниках диаметром в 10 или 100 атомов и микрочипах размером в несколько тысяч ангстрем. Теперь они называются нанопроводниками (nanowires) и наносхемами (nanocircuits).

И Фейнман ставит вопрос: "Что случилось бы, если бы мы могли располагать атомы друг за другом по нашему желанию (конечно, в разумных пределах...)". Прежде всего, отвечает он, это дало бы возможность создания или совершенно новых, или известных, но сверхчистых материалов. Но это позволило бы создавать миниатюрные многослойные микросхемы, связь между которыми в создаваемых из них устройствах осуществлялась бы оптически с помощью света. Так что Фейнмана можно считать и основоположником фотоники, активно развиваемой в настоящее время.

И Фейнман делает вывод исторической важности, по существу, адресованный уже ХХІ столетию. Он обращает внимание, что атомы как микрочастицы ведут себя совсем не так, как объекты макромира. Они подчиняются законам квантовой механики. А поэтому создавать надо будет не просто очень маленькие микросхемы, но системы, которые использовали бы квантованные энергетические уровни, взаимодействия квантованных спинов и т.п. Так что к этому историческому докладу Фейнмана восходят и такие современные идеи, как квантовый компьютер и спинтроника.

Чтобы возбудить интерес у молодых ученых к этой новой интригующей области исследований и разработок, Ричард Фейнман учреждает две премии по 1000 долларов каждая. Первую - тому, кто первый сможет упаковать информацию с книжной страницы в области, меньшей площади самой страницы в 25000 раз. Вторую - тому, кто сможет сделать действующий, управляемый извне электромоторчик размером всего 1/64 кубического дюйма (0,26 см³). Свое выступление Фейнман закончил словами: "Я не думаю, что такие премии будут слишком долго ждать претендентов".

Можно только удивляться, как в сравнительно небольшой речи Фейнману удалось набросать целую программу будущего технологического развития на многие десятилетия вперед. Ведь практически все его прозрения стали действительно актуальными только к концу ХХ века.

На линии прорыва

Скорее всего, круг проблем, обрисованный в речи в Калтехе в 1959 году, не переставал волновать Фейнмана и в последующие десятилетия. Но лишь через двадцать с небольшим лет он возвращается к этой теме. Задача остается, в общем-то, прежней: как научиться манипулировать объектами микромира, подчиняющимися законам квантовой механики, в частности, располагать атомы по своему желанию для получения материалов с заданными свойствами. Понятно, что для этого необходимо уметь моделировать поведение (эволюцию) сложных квантовых систем. В общем случае задача казалась практически неразрешимой.

И вот в 1982 году в International Journal of Theoretical Physics (Vol. 21, P. 467-488) Р. Фейнман публикует статью "Моделирование физики на компьютерах"⁴, в которой показывает, что в то время, как классическая физика, в принципе, допускает вполне точное моделирование на компьютере, квантовая физика в общем случае такой возможности не предоставляет, поскольку "если описание изолированной части природы с N переменными требует общей функции с N переменными и если компьютер моделирует это посредством вычисления или хранения этой функции, то удвоение размера этой части природы (N > 2N) потребует экспоненциального роста размеров моделирующего компьютера. Таким образом, в соответствии с установленными правилами моделировать вероятность невозможно".

Но тогда возникает вопрос: возможно ли вообще каким-либо образом моделировать поведение квантово-механических систем? Один из естественных ответов на этот вопрос - это допущение, чтобы и сам моделирующий компьютер состоял из квантово-механических элементов. Фейнман пытается предварительно определить, какую систему можно было бы рассматривать в качестве универсального квантового моделирующего устройства по аналогии с универсальным компьютером Тьюринга. Возможность моделирования квантово-механических систем даже на вероятностном классическом компьютере он категорически отрицает. Причина в том, что функции (функция Вигнера, например), которые в данном случае служили бы аналогами классических вероятностей, могут принимать отрицательные значения, а это классически никак не смоделируешь.

К теме квантовых вычислений Ричард Фейнман возвращается еще раз через несколько лет. В феврале 1985 году первоначально в бюллетене Optics News (P. 11-20), а затем в журнале Foundations of Physics (1986, Vol. 16, P. 507-531) он публикует статью "Квантово-механические компьютеры"⁵. Примерно в это же время появляется и классическая статья Дэвида Дойча "Квантовая теория, принцип Черча-Тьюринга и универсальный квантовый компьютер", в которой он впервые излагает математическую теорию квантовых вычислений. Прорыв информационных технологий в квантовый мир, по крайней мере, теоретически совершился.

В своей статье Р. Фейнман ищет ответ на вопрос: существуют ли фундаментальные физические ограничения (в частности, термодинамические) на вычисления на квантовом компьютере, кроме ограничений на размер основных элементов (например, один атом)? И находит, что таких принципиальных ограничений не имеется, т.е. универсальный квантовый компьютер, в принципе, может быть построен. Позднее выяснилось, что это не так (Сет Ллойд), но квантовый компьютер действительно оказывается предельным универсальным вычислительным устройством.

Фейнман далее показывает, что все основные логические операции и основанные на них сложные вычисления могут быть представлены как унитарное преобразование состояния квантово-механической системы и что если не учитывать взаимодействие со средой в процессе приготовления начального состояния и считывания результата вычисления, то диссипация энергии минимальна, что абсолютно не достижимо для классических устройств, построенных на транзисторах.

Следует отметить, что в данной статье Фейнман использует далеко не все особенности квантово-механических систем для реализации вычислительных алгоритмов. Скорее, в ней обсуждалась принципиальная возможность построения аналогов классических логических элементов (гейтов) на основе некоторых свойств двухуровневых квантовых систем. В частности, роль суперпозиции состояний обсуждалась лишь походя. Впрочем, до появления термина "кюбит" пройдет еще 10 лет (Б. Шумахер, 1995).

Однако решающее (и авторитетное!) слово было сказано. И спустя 20 лет после пионерской публикации Ричарда Фейнмана квантовые вычисления и квантовая теория информации - это уже не область смелых теоретических прорывов в будущее, а широкомасштабная кропотливая работа по поиску наиболее эффективных практических реализаций квантовых компьютеров. И эта перспективнейшая область исследований, как и множество других, навсегда будет связана с именем Ричарда Фейнмана - выдающегося физика и просто веселого человека.

Сергей САНЬКО,
q-n-q@kv.by

1 Русский перевод его популярных лекций по физике "Характер физических законов" можно найти по адресу: vivovoco.nns.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN.

2 Наиболее полную сборку переведенных на русский язык фрагментов этой книги можно найти на: q-e-d.chat.ru/bibliote/Feyn_joke.zip.

3 Расшифровка речи находится на сайте: www.zyvex.com/nanotech/feynman.html).

4 Не очень хороший русский перевод можно найти по адресу: old.rcd.ru/qc/contents/1999-2/pdf/feymod.zip)

5 Оригинальный текст: kh.bu.edu/qcl/pdf/feynmanr19860b1c6f60.pdf, плохой русский перевод: old.rcd.ru/qc/cotents/1999-2/pdf/feyqmc.zip)

Фейнман Ричард Филлипс, (Feynman Richard Phillips, 11.05.18-15.02.88) - выдающийся американский физик, внесший значительный вклад в развитие квантовой механики, квантовой электродинамики и заложивший основы теории квантовых вычислений.

Ричард Фейнман родился 11 мая 1918 г. в Нью-Йорке.

В 1939 г. получил степень бакалавра в Массачусетском технологическом институте, а в 1942 г. - степень доктора наук в Принстонском университете. Позднее был профессором теоретической физики Корнелльского университета (1945-1950) и Калифорнийского технологического института в Пасадене (1950-1988). Во время второй мировой войны работал в рамках американского ядерного Манхэттенского проекта.

Р. Фейнман имел многие почетные награды, среди которых - Премия Альберта Эйнштейна (1954), Эйнштейновская премия (1962) и др. Но позднее другие исследователи становились лауреатами премии его имени.

В 1965 г. вместе с Юлианом Швингером и Синь Итиро Томонагой был награжден Нобелевской премией за значительный вклад в развитие квантовой электродинамики.

Профессор Фейнман был членом многих научных обществ: Американского физического общества, Американской ассоциации научного прогресса, Национальной академии наук. В 1965 г. был избран иностранным членом Лондонского Королевского общества.

Ричард Фейнман был женат на Гвенет Ховарт. У них были дети: сын Карл Ричард (родился 22 апреля 1961 г.) и дочь Мишель Катерин (родилась 13 августа 1968 г.).

Ричард Фейнман - автор многих книг, среди которых самая известная - это многотомник "Фейнмановские лекции по физике". Кроме того, ему принадлежат такие произведения, как "Характер физических законов" (1967), "Статистическая механика" (1972), "Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман" (1985), "Какое вам дело, что думают другие?" (1988) и множество других.

Умер Ричард Фейнман в Лос-Анджелесе (штат Калифорния) 15 февраля 1988 г.