 |
Ричард Фейнман
|
Данная книга Джеймса Глика представляет собой биографию знаменитого физика Ричарда Фейнмана, одного из создателей квантовой электродинамики и лауреата Нобелевской премии. Фейнман сам описал свою жизнь в известной книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!», однако книга Джеймса Глика позволит читателю взглянуть на новые грани такой неординарной личности, какой был Фейнман, рассказывает о малоизвестном эпизоде из жизни Ричарда Фейнмана - его кратковременных занятиях генетикой.
От квантовой электродинамики к генетике
«Привет, дорогая!Фейнман и Гелл-Манн летели в Брюссель на конференцию, посвященную «нынешнему положению дел в квантовой электродинамике». Конференция пробудила ностальгию по былым временам. Приехал Дирак, и Фейнман снова получил возможность выступать вместе со своим давним героем. Впрочем, Дирак так до конца и не примирился с перенормировкой, позволившей избавиться от бесконечностей, которые были главной проблемой его старой теории. Перенормировка казалась ему подлым, лишенным основания трюком, приемом, который не имел отношения к физике и при помощи которого можно было просто-напросто выбросить из уравнения «неудобные» величины. Большинству физиков позиция Дирака казалась старческим неприятием нового — в данном случае новых идей, которые имели успех, в то время как его собственная теория развалилась. Он напоминал им Эйнштейна с его знаменитым ворчливым нежеланием принять квантовую механику — и, как и Эйнштейна, Дирака трудно было списать со счетов. Честные физики, по крайней мере, понимали его сомнения, даже если приписывали их возрастному ухудшению интуиции. Возраст плохо влиял на ученые умы. Жизненный опыт и накопленная вместе с ним мудрость не представляли ценности для науки. Фейнман остро и болезненно осознавал, насколько правдив шутливый стишок, авторство которого приписывалось самому Дираку и который время от времени кто-нибудь вывешивал на дверь своего кабинета в Калтехе.
Мы с Мюрреем не спали до глубокой ночи и спорили, пока хватало сил. А проснулись уже над Гренландией…»
Фейнман понимал претензии Дирака к перенормировке — возможно, лучше, чем кто-либо из его коллег, создателей новых методов. Квантовая электродинамика стала невиданным триумфом теоретической физики. Для того чтобы выполнить вычисления в первом-втором приближении, Фейнман и Швингер тратили часы и недели работы. Теперь эти расчеты можно было повторить совсем с другой, куда более совершенной степенью точности при помощи компьютеров и сотен фейнмановских диаграмм. Некоторые физики-теоретики и их аспиранты посвящали вычислениям годы своей карьеры. Они складывали и вычитали множество элементов, все глубже погружаясь в бесконечную череду расчетов. Кому-то такая работа казалась крайне неблагодарной: элементы формулы, положительные или отрицательные, выглядели огромными, а в конце все сводилось к аккуратному итоговому числу. Математический статус этих расчетов оставался неясным. С точки зрения математики было непонятно, сойдутся результаты или нет. Но при практических вычислениях в квантовой электродинамике они всегда сходились: все более точные ответы совпадали с результатами экспериментов, проведенных на все более чувствительном оборудовании. Пытаясь передать степень соответствия теории эксперименту, Фейнман приводил такое сравнение: представьте, что мы измеряем расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса с точностью до толщины человеческого волоса. Но в то же время его беспокоила нефизическая природа вычислительного процесса: бесконечные исправления вносились без какого-либо осмысления того, какая коррекция, большая или маленькая, потребуется в дальнейшем. «Мы вычисляем элементы формулы, как слепой ощупывает чужую комнату», — сказал он, выступая в Брюсселе.Преклонный возраст — главный враг,
Что страх внушает физикам.
Уж лучше помереть, чем стать
Тридцатилетним шизиком.
Тем временем другие ученые начали использовать понятие перенормировки для того, чтобы выделить возможные теории поведения частиц, которые могут быть описаны законами квантовой электродинамики. Дайсон первым понял, что перенормировка может стать критерием оценки. С практической точки зрения при помощи теории, к которой применима перенормировка, можно было производить расчеты. «Обратите внимание, как хитро ученые обернули все в свою пользу, — заметил физик и историк Сильван Швебер. — Расхождения, которые прежде считались огромной помехой, теперь стали ценным преимуществом». Гелл-Манн и молодые физики-теоретики пользовались этой концепцией с большим успехом. «Нам необходим определяющий принцип — такой, как перенормировка, — чтобы отделить квантовую теорию поля, имеющую отношение к реальному миру, от бесконечного множества других квантовых теорий», — заявил Стивен
Вайнберг годами позже, понимая, однако, что здесь напрашивается вопрос «почему». Почему он решил, что правильные теории можно будет просчитать? Почему природа должна облегчать жизнь физикам? Фейнман испытывал почти те же сомнения, что и Дирак, поэтому продолжал называть перенормировку «игрой в наперстки», «черт-те чем» и «надувательством».
К началу 1960-х годов он, казалось, потерял интерес к малоизученным областям физики высоких энергий. К тому времени в квантовой электродинамике настало затишье: она считалась проблемой решенной. На практике ее начали применять в физике твердых тел и прикладных сферах, например электротехнике; так, благодаря квантовой механике появился мазер — прибор, излучающий когерентные радиоволны высокой интенсивности в СВЧ-диапазоне, и его последователь — лазер. На некоторое время Фейнман погрузился в изучение теории мазеров, заложив ее основы при помощи своих интегралов по траекториям. Он также упорно работал над другой проблемой физики твердого тела — проблемой полярона, или электрона, движущегося в кристалле. Электрон искажает решетку кристалла и взаимодействует со своим полем деформации. Фейнман понял, что это типичный образец взаимодействия частицы с собственным полем. И снова его диаграммы и интегралы по траекториям нашли плодотворное применение. Но все это была работа незначительная; ее нельзя было назвать чем-то особенным, уникальным открытием физика, которого уже считали легендой (хотя Нобелевскую премию из года в год вручали все более молодым ученым, гораздо моложе Фейнмана).
Он никак не мог найти достойную тему для исследований. Его гонорар в Калтехе подняли до двадцати тысяч долларов, и он стал самым высокооплачиваемым сотрудником кафедры. Он благодушно замечал, что для физика-теоретика это многовато, и пора бы ему сделать что-то серьезное, заняться наконец «настоящей работой». Ему полагался год академического отпуска, но он не хотел путешествовать. Его друг Макс Дельбрюк — физик, занявшийся генетикой, — пытался заманить других теоретиков в свою группу в Калтехе, утверждая, что все самые интересные исследования теперь связаны с молекулярной биологией. И Фейнман решил: вместо того чтобы ехать в другую страну, он сменит поле деятельности.
В биологии не было разделения на теоретиков и практиков, так что лето 1960 года началось для Фейнмана с освоения азов лабораторной работы. Он учился выращивать штаммы бактерий на блюдцах, всасывать пипетками мельчайшие капли раствора, выявлять мутации и считать бактериофаги — вирусы, инфицирующие бактерии. Поначалу он проводил эксперименты лишь для того, чтобы овладеть техникой. В лаборатории Дельбрюка изучали главным образом генетику микроскопических живых существ, представлявших собой крошечные эффективные механизмы воспроизводства ДНК. Когда Фейнман прибыл в полуподвальный этаж Черч-Холла, где находилась лаборатория, самым популярным вирусом для изучения был бактериофаг Т4, растущий на обычном штамме кишечной палочки.
С тех пор как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик описали структуру ДНК — молекулы, несущей генетический код, — прошло менее десяти лет. Хотя официально эту систему хранения информации называли кодом, генетики визуализировали ее как карту и схему, печатный текст и запись на пленке, — механика этого процесса оставалась неясной. Было известно, что мутации изменяют последовательность нуклеотидов ДНК, но никто не мог понять, каким образом развивающийся организм считывает измененную карту или запись. Существует ли некий механизм биологического копирования, монтажа и склейки? В подвальной лаборатории Фейнман начал чувствовать себя как дома. Здесь все вокруг состояло из материи, и его это успокаивало. Он был хорошо знаком с сущностью оценочных экспериментов: по его словам, их целью было «понять, что известно, а что — еще нет». Он сразу разобрался, как работает центрифуга и как с помощью ультрафиолетового поглощения можно узнать, сколько ДНК осталось в пробирке. Биоматериал в экспериментах вел себя более беспорядочно: все росло, двигалось, и в точности повторить опыт оказывалось сложно.
Фейнман сосредоточился на изучении конкретной мутации вируса Т4, называемой rII. Этот мутирующий вирус обладал одним ценным свойством: он изобильно произрастал на штамме кишечной палочки B, но не рос на штамме K. Исследователь подсаживал бактерию штамма К к вирусу-мутанту и наблюдал, возникнут ли какие-либо признаки Т4. Если вирус появлялся, это могло означать одно: что-то случилось с мутацией rII, предположительно, она вернулась к своему исходному состоянию. Обратная мутация была довольно редким явлением; если же такое происходило и вирус снова начинал расти на бактерии штамма K, его можно было обнаружить с большой точностью — один на миллиард. Фейнман сравнил появление обратной мутации Т4 с рождением в Китае человека со слоновьими ушами, фиолетовыми пятнами и без левой ноги. Он собирал эти вирусы, изолировал их и снова подселял к бактериям штамма В, чтобы проверить, как они растут.
В некоторых блюдцах творилось нечто странное. Среди нормальных обратно мутировавших Т4 Фейнман обнаружил фаги, растущие не так, как нужно. Он назвал их «идиотскими r». Что происходит на уровне ДНК, когда они возникают? Об этом можно было только догадываться. У Фейнмана было две теории: либо участок мутации rII в нити ДНК претерпел второе, дополнительное изменение, либо вторая мутация возникла на другом участке, но каким-то образом частично «обнулила» первую.
Инструментов прямого изучения генетической последовательности «буква за буквой», основная пара за основной парой, попросту не существовало. Но, упорно скрещивая «идиотскую» мутацию с исходным вирусом, Фейнман сумел доказать, что его вторая догадка оказалась верной: речь шла о взаимодействии двух мутаций, произошедших на соседних участках ДНК. Более того, он продемонстрировал, что характер обоих изменений был схожим: это были мутации rII. Таким образом, он обнаружил новый феномен — мутации, подавляющие друг друга внутри одного гена. Его друзья в лаборатории назвали их фейнтронами и попытались убедить Фейнмана опубликовать материалы своих исследований в научном журнале. Впоследствии аналогичное открытие сделали другие ученые; оно получило название внутригенной супрессии. Но Фейнман не смог предложить достойного объяснения своей теории. Биологи Калтеха не имели четкого представления о том, как читать генетический код и как информация, записанная в ДНК, трансформируется в биологически активные белки и более сложные организмы.
Сам того не осознавая, Фейнман подошел вплотную к одному из величайших открытий в современной генетике. Но преимущество все же осталось за специалистами: год спустя команда Фрэнка Крика из британского Кембриджа разгадала механизм прочтения генетического кода, и краеугольным камнем этого открытия стала внутригенная супрессия. Ученые выдвинули верное предположение: мутации действительно добавляли или аннулировали элемент цепочки ДНК, смещая ее вперед или назад. Первая мутация временно нарушает ход цепочки; вторая восстанавливает нормальную последовательность. В результате ученые вывели простейшую, хоть и странную, механическую модель расшифровки генетического кода: код следует читать линейно, одну основную пару за другой, от начала до конца. Вероятно, Крик изначально предполагал наличие такой модели. В 1966 году он заявил: «Загадка генетического кода, по сути, разгадана».
Так увлечение Фейнмана генетикой подошло к концу. Он мечтал вернуться к физике. И в свободное от измельчения микросом время стал все больше посвящать себя квантовой теории гравитации.
Джеймс Глик — американский журналист
и автор научно-популярных книг, выпускник Гарвардского университета.
Автор бестселлеров «Информация. История. Теория. Поток», Chaos: Making a New Science и биографии Ричарда Фейнмана Genius: The Life and Science of Richard Feynman. Книги Глика переведены на 30 языков.
По теме: