QED.  Surely, You’re Joking, Mr. Feynmann

 

Vuonna 1918 toukokuun ensimmäisenä päiivänä syntyy Richard Feynman, aikakautemme aikaansaavimpia fyysikoita. Hän kuolee 1988. Hän osallistuu nuorena miehenä Los Alamosissa atomipommin kehittelyyn. Hänen suurin saavutuksensa on kuitenkin teoria QED, eli kvanttisähködynamiikka. Siihen saakka kaikissa laskuissa oli törmätty äärettömyyksiin, laskiessa pienten hiukkasten vuorovaikutuksia, koska voimia täytyi käsitellä äärettömyyksiin ulottuvina kenttinä ja hiukkaset itsessään olivat kenttiä. Feynman kehittää laskennan, joka käyttää ns. polkuintegraaleja, jolloin äärettömyydet häviävät. Lisäksi hän keksii esittää aika-avaruutta kaksiulotteisena ja hiukkasten vuorovaikutusta tässä avaruudessa janoina. Nämä Feynmanin diagrammit (tai Feynmanin graafit) tekevät kaiken paljon käsitettävämmäksi. QED on toistaiseksi tarkin esitystapa nykyfysiikasta ja on elänyt tähän saakka hyvin, vaikka kilpailevia ja korjailevia esityksiä on ollut monia.

Kun Feynman valittiin Cornellin yliopistoon sodan jälkeen samalla hyläten Princetonin tarjouksen päästä Institute for Advanced Study:n (joka oli kelvannut Albert Einsteinillekin), hän kiteytti oman käsityksensä taidoistaan näin: ”They expected me to be wonderful to offer me a job like this and I wasn’t wonderful, and therefore I realized new principle, which was that I’m not responsible for what other people think I am able to do; I don’t have to be good because they think I’m going to be good” [He odottivat minun olevan loistavan tarjotessaan tällaista hommaa, ja kun minä en ollut loistava, keksin uuden periaatteen, joka kuuluu: en ole vastuussa muiden ihmisten odotuksista kykyjeni suhteen, minun ei tarvitse olla hyvä siitä syystä, että he ajattelevat minun olevan hyvä] [Richard Feynman: The Pleasure of Finding Things Out. Edited by Jeffrey Robbins. Penguin Books 1999.]

Hänen kuuluisa ensimmäinen kirjansa, joka on koottu fysiikan luennoista aloitteleville fysiikan opiskelijoille 1960-luvulla Caltechissa  käsittelee mukaansatempaavasti monia alueita: ”Atoms in Motion, Basic Physics, The Relation of Physics to Other Sciences, Conservation of Energy, The Theory of Gravitation, Quantum Behavior”  [Atomit liikkeessä, perusfysiikkaa, fysiikan suhde muihin tieteisiin, energian säilyminen, painovoimateroria, kvantti-ilmiöt.] ja otsikoitu Six Easy Pieces. [Kuusi helppoa nakkia] Samoista aineksista on koottu toinenkin kirja, jolla on enteellinen nimi Six not so-easy pieces. [Kuusi ei niin helppoa nakkia.] Siinä Feynman aiheiden otsikot ovat: ”Vectors, Symmetry in Physical Laws, The Special Theory of Relativity, Relativistic Energy and Momentum, Space-Time, Curved Space”  [Vektorit, fysiikan lakien symmetria, erikoinen suhteellisuusteoria, suhteellinen energia ja momentti, aika-avaruus, käyristynyt avaruus.] . Lisäksi häneltä on julkaistu vielä pariin aiheeseen keskittyvät kirja The Meaning of It All [Tämän kaiken merkitys.] , sekä omaelämäkerrallinen Surely, You’re Joking, Mr. Feynman [Vaarmaan pilailette, Mr. Feynman] , joka ilmestyi 1985.

Penguin-kustantamo julkaissee vielä jotain muutakin (kirjeenvaihtoa). Nyt ovat useimmat noista kirjoista saatavana myös suomeksi. Jos haluaa ymmärtää fysiikkaa ja teoreettista fysiikkaa varsinkin, niin nuo kirjat antavat raikasta näkemystä kvanttifysiikkaan, sellaista jota ei muista oppikirjoista ehkä löydä. Feynman sai jaetun Nobelin palkinnon vuonna 1950 QED:stään.

Hän kertoo omaelämäkerrassaan, kuinka hänen piti Princetonissa esitellä tutkimuksiaan, jotka sittemmin muotoutuivat väitöskirjaksi. Hänen professorinsa Wheeler kuin sivumennen sanoen tuli kertomaan, että Einstein tulee kuuntelemaan ja Neumannkin – aikansa suurin fyysikko ja aikansa suurin matemaatikko. Ja vieläpä Adolf Paul Saksasrta oli tullut käymään. Paul on kuuluisa kieltosäännöstään: kaksi elektronia ei voi olla atomissa koskaan  samassa viritystilassa. Paulilla oli tieteellisiin esityksiin ankara asteikko: väärin, täysin väärin ja ei edes väärin. Siinä oli arvostusta tulossa kylliksi. Vuosi oli silloin 1942. Wheeler sai aikoinaan oman Nobelinsa oppilaansa jälkeen myös fysiikasta. Feynmann myöhemmin totesi, että tällaiselle yleisölle ratkaisukaavojen esittäminen oli aivan turhaa: he näkivät ilmeisen ratkaisun esitetylle probleemalle yhdellä silmäyksellä ilman välivaiheitakin.

Hauskoja kaskuja Feynmannin teokset ovat täynnään. (Joku Feynmanin aikalaisista kitkerästi totesi, että Feynmanin potentiaalista ainakin puolet meni hänen yrittäessään keksiä kaskuja itsestään.)  Esimerkiksi hän briljeerasi laskutaidoillaan sanoen, että hän voi esittää vastauksen kymmenen prosentin tarkkuudella kaikkiin laskutehtäviin, joiden asettelu kestää korkeintaan viisi sekuntia. Valitettavasti hän esitti saman kysymyksen Neumannillekin. Tältä tuli heti jotain ”no sanopas mitä on arcus tangens hyperbolicus 2 potenssiin sata”. Nythän on kyseessä jaksollinen funktio, eikä mitään likiarvoa ole mahdollista päätellä koska se voi kerta kaikkiaan tuolla potenssilla olla mitä vain. Tietokoneeltakin menisi muutama tovi ratkaisun kaivamiseen.

Toinen kasku liittyen Neumannin laskutaitoihin on seuraavan probleeman ratkaisu. Neumannille esitettiin kysymys: kaksi junaa lähtee ajamaan vastakkain samaa raidetta 60 kilometrin päässä toisistaan. Toisen junan nopeus on 60 kilometriä tunnissa ja toisen 30 kilometriä tunnissa. Nyt onnea tuomaton lintu, jonka lentonopeus on peräti 120 kilometriä tunnissa lähtee ensin lentämään toisesta junan veturista toiseen ja sitten taas takaisin toisen junan veturiin ja taas jälleen toiseen jne. Kysymys kuuluu: kuinka pitkän matkan lintu ehtii lentää, ennen kuin junat törmäävät. Törmäyshetkellähän nopeampi juna on edennyt 40 kilometriä neljässäkymmenessä minuutissa ja toinen samassa ajassa 20 kilometriä. Neumann mietti hetken ja sanoi vastauksen 80 kilometriä se lintu lentää. Edellä olevan tehtävänasetuksen mukaan törmäys tapahtui siis 40 minuutin kuluttua, joten todella lintu, joka lentää 120 km/h, siinä ajassa ehtii kulkea 80 kilometriä. Kun tämä päätelmä todettiin yhteisesti oikeaksi, niin Neumann kuivasti totesi, että voihan sen noinkin laskea: hän oli laskenut vastauksen päässään suppenevan aritmeettisen sarjan termien summana.