Sześć łatwych kawałków. Podstawy fizyki wyjaśnione przez jej najbłyskotliwszego nauczyciela - ebook

_Sześć łatwych kawałków_ wyrosło z potrzeby przedstawienia największej, jak tylko się da, widowni obszernego, lecz pozbawionego technikaliów podręcznika fizyki stworzonego na podstawie wiedzy naukowej Richarda Feynmana. Wybraliśmy sześć najprzystępniejszych rozdziałów z jego słynnej i doniosłej lektury akademickiej, _Feynmana wykładów z fizyki_ (po raz pierwszy wydanych w 1963 roku)1, które dotąd są jego najsławniejszą publikacją. Szczęśliwie dla zwykłego czytelnika Feynman zdecydował się przybliżyć pewne główne zagadnienia w dużej mierze jakościowo, bez matematycznego formalizmu – i one właśnie zebrane są w _Sześciu łatwych kawałkach_.

Chcielibyśmy podziękować Paulowi Daviesowi za wnikliwe wprowadzenie do tego nowo utworzonego zbioru. Po jego wstępie zdecydowaliśmy się powtórzyć dwie przedmowy z _Feynmana wykładów z fizyki_: jedną autorstwa samego Feynmana, a drugą jego dwóch kolegów, ponieważ nadają one kontekst zamieszczonym tu wykładom oraz dają wgląd zarówno w to, kim był Richard Feynman, jak i w jego badania.

Wreszcie chcielibyśmy podziękować Wydziałowi Fizyki oraz Archiwum Kalifornijskiego Instytutu Techonologicznego, zwłaszcza dr Judith Goodstein oraz dr. Brianowi Hatfieldowi za jego znakomite wskazówki i zalecenia podczas urzeczywistniania tego przedsięwzięcia.

1 W polskim tłumaczeniu dwie części tomu pierwszego ukazały się w latach 1968–1969 (przyp. tłum.).Powszechnie i mylnie uważa się, że nauka jest chłodnym, beznamiętnym i na wskroś obiektywnym zajęciem. Podczas gdy większość innych ludzkich działań opanowana jest przez trendy, chwilowe mody czy osobistości, naukę miałyby ograniczać uzgodnione reguły postępowania i ścisłe metody weryfikacji. Liczyć mają się wyniki, a nie ludzie, którzy je tworzą.

Jest to oczywista bzdura. Naukę, jak wszelką działalność ludzką, wykonują konkretne osoby, tak samo ulega więc ona modom i kaprysom. W jej wypadku moda wyznacza nie tyle temat, ile sposób myślenia naukowców o świecie. Każda epoka przyjmuje swoiste podejście do problemów badawczych, zwykle podążając szlakiem przetartym przez pewne eminentne postaci, które zarówno ustaliły cele, jak i sprecyzowały najlepsze metody ich osiągnięcia. Od czasu do czasu jakiś naukowiec osiąga wystarczającą pozycję, aby dostrzegło go społeczeństwo, i jeśli jest obdarzony wybitnym talentem, może się stać ikoną całej społeczności naukowej. W wiekach przeszłych ikoną był Isaac Newton. Uosabiał on naukowca dżentelmena – ustosunkowanego, pobożnego, a w pracy nieśpiesznego i metodycznego. Jego styl uprawiania nauki wyznaczył wzór na dwa stulecia. W pierwszej połowie XX wieku w roli naukowej ikony dla mas Newtona zastąpił Albert Einstein. Jako ekscentryczny, rozczochrany, roztargniony, niemieckiego pochodzenia, bez reszty pochłonięty pracą i archetypowy abstrakcyjny myśliciel Einstein zmienił to, jak uprawia się fizykę, kwestionując określające jej istotę podwaliny pojęciowe.

Ikoną fizyki ostatnich dekad XX wieku – i pierwszym Amerykaninem, który osiągnął ten status – stał się Richard Feynman. Urodzony w Nowym Jorku w 1918 roku i wykształcony na Wschodnim Wybrzeżu Stanów Zjednoczonych, przyszedł na świat zbyt późno, by móc uczestniczyć w złotym wieku fizyki, który w pierwszych trzydziestu latach XX wieku przeobraził nasze spojrzenie na świat za pomocą dwóch rewolucji: teorią względności i mechaniką kwantową. Te radykalne odkrycia położyły fundamenty pod gmach, który obecnie nazywamy „nową fizyką”. Stanąwszy na tych fundamentach, Feynman pomógł zbudować parter. Dołożył się do każdego niemal kąta „nowej fizyki” oraz głęboko i trwale wpłynął na to, jak fizycy myślą o materialnym wszechświecie.

Feynman był fizykiem teoretycznym _par excellence_. Newton był na równi doświadczalnikiem i teoretykiem. Einstein eksperymenty miał zwyczajnie w pogardzie; wolał zawierzyć czystej myśli. Feynmanem kierowała chęć głębokiego teoretycznego zrozumienia przyrody, ale zawsze trzymał się blisko rzeczywistości – często brudnej – wyników doświadczalnych. Nikt, kto oglądał starszego już Feynmana naświetlającego przyczynę katastrofy promu kosmicznego Challenger za pomocą kawałka gumy zanurzonego w wodzie z lodem, nie może wątpić, że zobaczył tak showmana, jak i człowieka myślącego praktycznie.

Na początku Feynman stał się znany dzięki pracy nad teorią cząstek subatomowych, zwłaszcza w obrębie elektrodynamiki kwantowej, inaczej QED (ang. _quantum electrodynamics_). W zasadzie od niej właśnie zaczęła się teoria kwantów. W 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck przedstawił pomysł, według którego światło i pozostałe rodzaje promieniowania elektromagnetycznego dotychczas uznawane za fale, oddziałując z materią, paradoksalnie zachowywały się jak maleńkie pakiety energii, inaczej „kwanty”. Te konkretne kwanty nazwano fotonami. Do wczesnych lat trzydziestych budowniczowie nowej mechaniki kwantowej wypracowali matematyczne ramy opisu wypromieniowywania i pochłaniania fotonów przez naładowane elektrycznie cząstki, takie jak elektrony. Mimo że QED w tej wczesnej postaci cieszyła się do pewnego stopnia powodzeniem, wyraźnie była wadliwa. W wielu przypadkach wyniki obliczeń były niespójne lub nawet nieskończone, pomimo dobrze zadanych fizycznych pytań. To właśnie ku zagadnieniu skonstruowania spójnej teorii kwantowej elektrodynamiki zwrócił swą uwagę młody Feynman w późnych latach czterdziestych.

Aby naprawić podstawy QED, niezbędne było uzgodnienie jej z zasadami nie tylko mechaniki kwantowej, lecz także szczególnej teorii względności. Obydwie te teorie niosą ze sobą własne, oddzielne aparaty matematyczne, złożone układy równań, które rzeczywiście można połączyć i pogodzić, otrzymując zadowalający opis QED. Tą trudną i wymagającą dużych zdolności matematycznych ścieżką podążali współcześni Feynmanowi. Sam Feynman jednak obrał podejście radykalnie odmienne – wręcz tak radykalne, że był w stanie niemalże z miejsca zapisać odpowiedzi bez korzystania z jakiejkolwiek matematyki!

Aby wesprzeć ten niezwykły popis intuicji, Feynman wymyślił prosty system diagramów nazwanych jego nazwiskiem. Diagramy Feynmana to potężna symboliczna heurystyka obrazująca, co się dzieje, gdy oddziałują ze sobą elektrony, fotony i inne cząstki. Obecnie diagramy Feynmana są rutynowym sposobem wspomagania obliczeń, ale we wczesnych latach pięćdziesiątych były zdumiewającym znakiem odejścia od tego, jak tradycyjnie uprawiało się fizykę teoretyczną.

To konkretne zagadnienie zbudowania spójnej teorii elektrodynamiki kwantowej, mimo że stało się kamieniem milowym w rozwoju fizyki, było zaledwie początkiem. Miało nadać ton stylowi wyróżniającemu Feynmana, któremu pisane było wytworzyć wiele ważnych wyników dotyczących całego wachlarza tematów w naukach fizycznych. Styl Feynmana najlepiej określić jako mieszaninę czci i braku szacunku do powszechnie przyjętych przekonań.

Ponieważ fizyka jest nauką ścisłą, istniejącej wiedzy, choć niepełnej, nie można zignorować. Feynman w bardzo młodym wieku znakomicie opanował przyjęte zasady fizyki i postanowił pracować niemal wyłącznie nad standardowymi zagadnieniami. Nie był typem geniusza, który ślęcząc w osamotnieniu nad problemami leżącymi na peryferiach dziedziny, natknął się na coś fundamentalnie nowego. Wyróżniał go talent do podchodzenia do tematów właściwie z głównego nurtu na swój własny sposób. Oznaczało to wystrzeganie się istniejących formalizmów i tworzenie własnych, bardzo intuicyjnych rozwiązań. Podczas gdy większość fizyków teoretyków polega na dokładnych obliczeniach matematycznych dających im drogowskaz i oparcie umożliwiające dostanie się na niezbadane tereny, nastawienie Feynmana było niemalże nonszalanckie. Ma się wrażenie, że potrafił czytać naturę jak książkę i że tylko sprawozdawał to, co znalazł, porzucając monotonię złożonych analiz.

Faktycznie, w pogoni za swoją pasją naukową Feynman przejawiał zdrową pogardę dla ścisłych formalizmów. Trudno wyrazić głębię geniuszu potrzebną, żeby w ten sposób pracować. Fizyka teoretyczna jest jednym z najtrudniejszych ćwiczeń umysłowych, łączącym abstrakcyjne, niedające się zobrazować pojęcia ze skrajną matematyczną złożonością. Większość fizyków może dokonać postępów, jedynie zachowując najwyższy stopień dyscypliny umysłowej. Tymczasem Feynman zdawał się mieć za nic surowy kodeks postępowania i zrywał nowe wyniki jak dojrzałe owoce z Drzewa Wiedzy.

Styl Feynmana dużo zawdzięczał samej jego osobowości. Wydawało się, że zarówno w życiu zawodowym, jak i prywatnym traktuje on świat jako wielce zajmującą grę. Fizyczna rzeczywistość podsuwała mu cały ciąg fascynujących łamigłówek i wyzwań i podobnie było z jego środowiskiem towarzyskim. Do końca życia pozostając kawalarzem, autorytety i instytucje akademickie traktował z tym samym brakiem szacunku co sztywny matematyczny formalizm. Nie mogąc zdzierżyć głupoty innych, łamał zasady, zawsze gdy uznał je za zupełnie subiektywne lub absurdalne. Jego pisma autobiograficzne zawierają zabawne opowieści o tym, jak to Feynman przechytrzył podczas wojny służbę bezpieczeństwa chroniącą bombę atomową, jak Feynman włamywał się do sejfów czy jak Feynman rozbrajał kobiety szokująco zuchwałym zachowaniem. Swoją Nagrodę Nobla, przyznaną mu za pracę nad QED, traktował jako podobnie błahą.

Obok wstrętu do formalności, Feynmana fascynowały rzeczy dziwaczne i mroczne. Wielu zapamięta jego obsesję na punkcie minionych czasów kraju Tuwa w Azji Środkowej, którą tak uroczo uchwycono w filmie dokumentalnym nakręconym niedługo przed jego śmiercią. Pośród innych jego pasji były gra na bongo, malowanie, uczęszczanie do lokali ze striptizem i odszyfrowywanie majskich tekstów.

Feynman sam uczynił wiele, aby ukształtować swój wizerunek. Choć niechętnie chwytał za pióro, w rozmowie był wymowny i uwielbiał opowiadać o swoich pomysłach i wybrykach. Te uzbierane przez lata anegdoty wzmogły otaczającą go aurę tajemniczości i sprawiły, że stał się legendą za życia. Sposobem bycia ujmował studentów, zwłaszcza młodszych, z których wielu go wielbiło. Gdy w 1988 roku Feynman umarł na raka, studenci Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (tak zwanego Caltechu), w którym pracował przez większość kariery, rozwinęli transparent z prostym komunikatem: „Kochamy Cię, Rysiek”1.

Właśnie to niefrasobliwe podejście do życia w ogóle, a do fizyki w szczególności, sprawiło, że Feynman tak wyśmienicie przekazywał wiedzę. Mało miał czasu na oficjalne wykłady czy choćby opiekę nad doktorantami. Kiedy mu to jednak pasowało, potrafił prowadzić błyskotliwe wykłady, skrzące się od dowcipu, przenikliwości i nonszalancji wkładanych w pracę naukową.

We wczesnych latach sześćdziesiątych Feynman dał się przekonać, by poprowadzić na Caltechu kurs ze wstępu do fizyki dla studentów pierwszego i drugiego roku. Zrobił to z właściwym sobie polotem i niepodrabialnym połączeniem swobody, zapału i niekonwencjonalnego poczucia humoru. Na szczęście te bezcenne wykłady zachowały się dla potomności w postaci książkowej. Chociaż dalece odbiegają stylem i sposobem prezentacji od bardziej konwencjonalnych podręczników, _Feynmana wykłady z fizyki_ odniosły olbrzymi sukces, pobudzając i inspirując pokolenie studentów z całego świata. Tomy te przez trzydzieści lat nic nie straciły ze swojej błyskotliwości i klarowności. _Sześć łatwych kawałków_ zaczerpnięte jest bezpośrednio z _Feynmana wykładów z fizyki_. Mają one pozwolić zwykłemu czytelnikowi zasmakować w Feynmanie nauczycielu za pośrednictwem wczesnych, nietechnicznych rozdziałów z jego doniosłego dzieła. Powstała w wyniku tego książka zachwycająca – służąca zarówno jako wstęp do fizyki dla nienaukowców, jak i wstęp do samego Feynmana.

Najbardziej imponujące w jego starannie opracowanym sposobie prezentacji jest to, jak rozbudowane twierdzenia fizyczne Feynman potrafi rozwijać, tak niewiele inwestując w definiowanie pojęć, a już zupełne minimum w formalizm matematyczny i techniczny żargon. Ma on talent do znajdowania właściwej analogii lub ilustrowania rzeczy sprawami życia codziennego, pozwalający wydobyć istotę jakiejś głębokiej zasady bez zasłaniania jej przypadkowymi lub nieistotnymi szczegółami.

Wybór tematów zawartych w tym tomie nie jest pomyślany jako calościowy przegląd współczesnej fizyki, ale jako nęcący przedsmak Feynmanowskiego podejścia. Szybko odkrywamy, jak podejście to potrafi rzucić nowe światło nawet na tak prozaiczne tematy jak siła i ruch. Kluczowe pojęcia są ilustrowane przykładami z życia codziennego lub starożytności. Fizykę co rusz splata się z innymi naukami, a jednocześnie czytelnikowi nie pozostawia się wątpliwości, która z nich jest dziedziną fundamentalną.

Już na początku _Sześciu łatwych kawałków_ dowiadujemy się, że cała fizyka zakorzeniona jest w pojęciu praw – istnienia uporządkowanego wszechświata, który można pojąć, racjonalnie rozumując. Prawa fizyki nie wynikają jednak w sposób przejrzysty z naszych bezpośrednich obserwacji przyrody. Frustrują nas tym, jak są ukryte, subtelnie zakodowane w zjawiskach, które badamy. Tajemne zasady postępowania fizyka – połączenie starannie zaprojektowanego eksperymentu i matematycznego teoretyzowania – są potrzebne, aby odsłonić leżącą u podstaw i dającą się opisać prawami rzeczywistość.

Prawdopodobnie najbardziej znanym prawem fizyki jest prawo powszechnego ciążenia Newtona, określone przez odwrotność kwadratu odległości, omówione w wykładzie piątym. Temat ten został wprowadzony w kontekście Układu Słonecznego i praw ruchu planet Keplera. Ale prawo ciążenia jest powszechne, obowiązuje w całym kosmosie, co pozwala Feynmanowi urozmaicić wywód przykładami z astronomii i kosmologii. Komentując zdjęcie gromady kulistej dającej się jakoś utrzymywać niewidocznymi siłami, Feynman popada w liryczny ton: „Jeśli ktoś nie dostrzega tu działania grawitacji, to nie ma duszy”.

Znane są też inne prawa odnoszące się do różnych niegrawitacyjnych sił natury i opisujące, jak oddziałują ze sobą cząstki materii. Owych sił jest zaledwie kilka i właśnie Feynman należy do tych niewielu naukowców w historii, którzy wyróżnili się, odkrywając nowe prawo fizyki – w jego wypadku dotyczące wpływu słabej siły jądrowej na zachowanie pewnych cząstek subatomowych.

Fizyka cząstek wysokich energii była klejnotem koronnym powojennej nauki: budzącym jednocześnie respekt i zachwyt ogromnymi akceleratorami i na pozór niekończącą się listą nowo odkrytych cząstek elementarnych. Badania Feynmana nastawione były głównie na zrozumienie wyników tego przedsięwzięcia. Wielkim tematem jednoczącym fizyków cząstek była rola symetrii i praw zachowania w zaprowadzaniu porządku w tym subatomowym zoo.

Tak się składa, że wiele symetrii, które są znane fizykom cząstek elementarnych, widziano już w fizyce klasycznej. Najważniejsze z nich to te wynikające z jednorodności przestrzeni i czasu. Weźmy czas: poza kosmologią, w której Wielki Wybuch wyznaczył początek czasu, w fizyce nie ma nic, co pozwoliłoby odróżnić jedną chwilę od drugiej. Fizycy mówią, że świat jest „niezmienniczy względem przesunięcia w czasie”, co oznacza, że dla opisu zjawisk fizycznych nie ma znaczenia, czy w pomiarach za zero na osi czasu przyjmie się północ, czy południe. Procesy fizyczne nie zależą od zera absolutnego czasu. Okazuje się, że z tej symetrii względem przesunięcia w czasie bezpośrednio wynika jedno z najbardziej podstawowych, a zarazem najbardziej użytecznych praw fizyki: prawo zachowania energii. Mówi ono, że można przenosić energię i zmieniać jej postać, ale nie da się jej wytwarzać ani niszczyć. Feynman wyjaśnia to prawo w zabawnej historyjce o Dennisie Rozrabiace, który zawsze psoci, chowając przed matką swoje klocki (wykład czwarty).

Najbardziej wymagający jest w niniejszym tomie wykład ostatni, poświęcony fizyce kwantowej. Nie ma przesady w stwierdzeniu, że mechanika kwantowa zdominowała fizykę XX wieku i jest zdecydowanie najbardziej udaną z istniejących teorii naukowych. Jest ona niezbędna do zrozumienia cząstek elementarnych, atomów i jąder atomowych, cząsteczek i wiązań chemicznych, struktury ciał stałych, nadprzewodników i nadcieczy, przewodnictwa elektrycznego i cieplnego metali oraz półprzewodników, budowy gwiazd – i nie koniec na tym. Jej praktyczne zastosowania sięgają od laserów po mikroprocesory. Wszystko to dzięki teorii, która na pierwszy rzut oka – i na drugi też – wygląda na zupełnie wariacką! Niels Bohr, jeden z twórców mechaniki kwantowej, zauważył kiedyś, że kogo ta teoria nie wprawiła osłupienie, ten jej nie zrozumiał.

Problem w tym, że kwantowe pojęcia uderzają w samo serce tego, co nazwalibyśmy zdroworozsądkową rzeczywistością. W szczególności kwestionują one spojrzenie, według którego obiekty fizyczne takie jak elektrony czy atomy są niezależnymi bytami mającymi w dowolnej chwili kompletny zestaw własności fizycznych. Na przykład elektron nie może mieć równocześnie ściśle określonych położenia w przestrzeni i prędkości. Jeśli szuka się elektronu, znajdzie się go w jakimś miejscu, a jeśli mierzy się jego prędkość, otrzyma się dokładną odpowiedź, ale nie można dokonać obu obserwacji naraz. Nie ma też sensu przypisywać elektronowi jednoznacznych wartości położenia i prędkości, gdy nie są jeszcze znane i gdy brak pełnego zestawu obserwacji.

Ta nieokreśloność leżąca w naturze cząstek atomowych ujęta została przez Heisenberga w słynnej zasadzie nieoznaczoności. Nakłada ona ścisłe ograniczenia na dokładność, z jaką mogą dać się jednocześnie poznać takie własności jak położenie i prędkość. Precyzyjnie znana wartość położenia rozmywa zakres możliwych wartości prędkości i na odwrót. Ta kwantowa nieostrość objawia się w sposobie poruszania się elektronów, fotonów i innych cząstek. Pewne doświadczenia potrafią ukazać ich określone ścieżki w przestrzeni podobne trajektoriom pocisków zmierzających do celu. Jednak w innych doświadczeniach ujawnia się zachowanie falowe cząstek, wykazujące charakterystyczne wzorce dyfrakcji i interferencji.

Mistrzowska w wykonaniu Feynmana analiza słynnego „eksperymentu z dwiema szczelinami”, unaoczniająca „szokujący” dualizm korpuskularno-falowy w jego najjaskrawszej postaci, przeszła do historii wykładów naukowych jako klasyk. Za pomocą kilku bardzo prostych pomysłów Feynman potrafi zabrać nas w samo serce kwantowej tajemnicy i pozostawić olśnionych skrywaną przez nią paradoksalną naturą rzeczywistości.

Mimo że mechanikę kwantową wprowadzono do podręczników już na początku lat trzydziestych, jako młody człowiek Feynman w typowy dla siebie sposób wolał ją po swojemu przefasonować do zupełnie nowej postaci. Zaletą jego metody jest sugestywny obraz działania kwantowej szarlatanerii. Zasadza się on na tym, że w mechanice kwantowej ścieżka cząstki w przestrzeni nie jest w ogólności dobrze zdefiniowana. Możemy sobie wyobrazić swobodnie poruszający się elektron, obierający, dajmy na to, nie tylko drogę w linii prostej między punktami A i B, jak podpowiadałby zdrowy rozsądek, ale cały zestaw różnorodnie wijących się tras. Feynman zaprasza nas do wyobrażenia sobie, że elektron jakimś sposobem sprawdza wszystkie możliwe ścieżki, a przy braku obserwacji, która z nich została obrana, trzeba założyć, że wszystkie one w jakiś sposób dają przyczynek do rzeczywistości. Kiedy więc elektron dociera do danego punktu przestrzeni – powiedzmy do ekranu – aby stworzyć to jedno zdarzenie, trzeba scalić wiele różnych przeszłości.

Podejście całek po trajektoriach Feynmana do mechaniki kwantowej, zwane też sumami po historiach, nadało temu niezwykłemu wyobrażeniu postać procedury matematycznej. Przez wiele lat pozostawało ono mniej lub bardziej ciekawostką, ale gdy fizycy rozwinęli mechanikę kwantową do granic możliwości – stosując ją do grawitacji, a nawet kosmologii – okazało się, że metoda Feynmana dostarcza najlepszego narzędzia obliczeniowego do opisu kwantowego wszechświata. Może się okazać, że wśród wielu wybitnych zasług Feynmana dla fizyki sformułowanie mechaniki kwantowej w języku całek po trajektoriach historia uzna za najbardziej znaczącą.

Wiele pojęć omawianych w tym tomie jest głęboko filozoficznych. Mimo to Feynman żywił wobec filozofów niewygasającą podejrzliwość. Miałem kiedyś okazję zagadnąć go na temat istoty matematyki i praw fizyki oraz tego, czy można uznać, że abstrakcyjne prawa matematyczne są niezależnymi platońskimi bytami. Zręcznie i z werwą opisał, dlaczego rzeczywiście na to wygląda, ale szybko się wycofał, gdy nalegałem, by zajął konkretne stanowisko filozoficzne. Był równie nieufny, gdy próbowałem go wciągnąć w rozmowę na temat redukcjonizmu. Z perspektywy czasu uważam, że Feynman mimo wszystko nie gardził problemami filozoficznymi, lecz podobnie jak potrafił uprawiać fizykę matematyczną bez metodycznej matematyki, tak też potrafił poczynić wysokiej próby spostrzeżenia filozoficzne bez metodycznej filozofii. To formalizm mu się nie podobał, a nie treść.

Jest mało prawdopodobne, żeby świat doczekał się drugiego Richarda Feynmana. Był on człowiekiem swoich czasów. Jego styl sprawdził się tam, gdzie krzepła rewolucja i rozpoczynała się eksploracja jej dalekosiężnych konsekwencji. Po wojnie fundamenty fizyki już osiadły, teoretyczne struktury dojrzały, a jednak jej bramy pozostały szeroko otwarte dla nowych graczy. Feynman wkroczył w krainę czarów pełną abstrakcyjnych pojęć, na wielu z nich odciskając piętno swojego niepodrabialnego sposobu myślenia. Książka ta stanowi jedyne w swoim rodzaju wejrzenie w umysł niezwykłej istoty ludzkiej.

_Wrzesień 1994_

Paul Davies

1 W oryginale „Dick”, którego używa się jako zdrobnienia imienia Richard (przyp. tłum.).Pod koniec życia Richarda Feynmana jego sława wykraczała poza granice społeczności naukowej. Szeroki rozgłos zdobył wyczynami dokonanymi jako członek komisji badającej katastrofę promu kosmicznego Challenger. Bestsellerowa książka o jego sowizdrzalskich przygodach uczyniła go idolem niemal na miarę Alberta Einsteina. Ale w 1961 roku, jeszcze zanim stał się bardziej rozpoznawalny wśród ogółu społeczeństwa dzięki Nagrodzie Nobla, Feynman już był w społeczności naukowej więcej niż tylko sławą – był legendą. Niewątpliwie w upowszechnieniu i uatrakcyjnieniu legendy Richarda Feynmana pomogła niezwykła moc jego nauczania.

Feynman był naprawdę wielkim, być może największym nauczycielem swojej i naszej epoki. Sala wykładowa była dlań sceną, a wykładowca aktorem, odpowiedzialnym za zapewnienie dramatyzmu i fajerwerków na równi z faktami i liczbami. Przechadzał się przed słuchaczami tam i z powrotem, machając rękami w „niemożliwym połączeniu fizyka teoretyka i cyrkowego naganiacza, pełnym ruchów ciała i efektów dźwiękowych” – jak pisał „New York Times”. Bez względu na to, czy wykładał do publiczności złożonej ze studentów, kolegów po fachu czy laików, kto miał szczęście zobaczyć go na własne oczy, otrzymywał doświadczenie zazwyczaj niekonwencjonalne i zawsze niezapomniane, jak sam Feynman.

Był mistrzem dramaturgii umiejącym przykuć uwagę każdego audytorium. Wiele lat temu prowadził wykłady z zaawansowanej mechaniki kwantowej – był to duży kurs, na który uczęszczało kilkoro zarejestrowanych doktorantów i większość kadry wydziału fizyki z Caltechu. Podczas jednego z wykładów Feynman zaczął wyjaśniać, jak przedstawiać pewne skomplikowane całki w postaci diagramów: czas na tej osi, przestrzeń na tamtej, zamiast tej linii prostej linia falista i tak dalej. Opisawszy to, co w świecie fizyki znane jest jako diagram Feynmana, odwrócił się twarzą do klasy, uśmiechając się po szelmowsku. „I to się nazywa _tym znanym_ diagramem!” – spointował, a sala wykładowa zawrzała spontanicznymi oklaskami.

Wiele lat po wygłoszeniu składających się na tę książkę wykładów Feynmanowi zdarzało się bywać gościnnym wykładowcą Caltechu na kursie z fizyki dla studentów pierwszego roku. Jego występy, rzecz jasna, musiano utrzymywać w tajemnicy, aby na sali starczyło miejsca dla zarejestrowanych na ten przedmiot studentów. Tematem jednego z takich wykładów była zakrzywiona czasoprzestrzeń, a Feynman był jak zwykle błyskotliwy. Niezapomniana chwila nastąpiła jednak na początku wykładu. Właśnie odkryto supernową z 1987 roku, co bardzo Feynmana podniecało. Zaczął tak: „Tycho Brahe miał swoją supernową, a Kepler swoją. Przez kolejne 400 lat nie było żadnej. Ale teraz też mam swoją”. W klasie zapadła cisza, a Feynman kontynuował: „W naszej galaktyce jest 10¹¹ gwiazd. Kiedyś była to _olbrzymia_ liczba. Ale to tylko sto miliardów. To mniej od państwowego deficytu budżetowego! Dawniej takie liczby nazywało się astronomicznymi. Obecnie powinniśmy je nazywać ekonomicznymi”. Studenci się roześmiali, a Feynman, ująwszy publiczność, przeszedł do wykładu.

Pomijając showmańskie popisy, Feynmanowska technika pedagogiczna była prosta. Jej zasady streszcza notatka znaleziona wśród jego papierów w archiwach Caltechu, którą nagryzmolił podczas pobytu w Brazylii w 1952 roku:

Najpierw zrozum, dlaczego chcesz, by studenci uczyli się tego przedmiotu, i czego chcesz, żeby się dowiedzieli, a metoda wyniknie mniej więcej sama z chłopskiego rozumu.

To, co u Feynmana brało się z „chłopskiego rozumu”, często było genialnym chwytem doskonale oddającym istotę jego myśli. Kiedyś podczas otwartego wykładu starał się wyjaśnić, dlaczego nie wolno sprawdzać jakiegoś pomysłu za pomocą tych samych danych, które go wcześniej podsunęły. Zdając się zbaczać z tematu, Feynman zaczął opowiadać o tablicach rejestracyjnych: „Wiecie państwo, dziś wieczorem przytrafiła mi się doprawdy zdumiewająca rzecz. Jechałem tutaj, na wykład, i przejeżdżałem przez parking. I to jest nie do wiary, co się stało. Zobaczyłem samochód na numerach ARW 357. Wyobrażają sobie państwo? Jaka była szansa, że spośród milionów tablic rejestracyjnych w tym stanie zobaczę dziś akurat tę? Niesamowite!”. Kwestię, której nawet wielu naukowców nie do końca rozumie, wyjaśnił zadziwiający „chłopski rozum” Feynmana.

W ciągu trzydziestu pięciu lat pracy na Caltechu (od 1952 do 1987 roku) Feynman prowadził zajęcia z trzydziestu czterech przedmiotów. Dwadzieścia pięć z nich było zaawansowanymi kursami dla studentów wyższych lat studiów, z możliwością zapisu wyłącznie dla magistrantów i doktorantów, chyba że studenci niższych lat poprosili o pozwolenie na zapisanie się na nie (co często robili i pozwolenia prawie zawsze im udzielano). Pozostałe były głównie przedmiotami wprowadzającymi na studiach magisterskich. Tylko raz Feynman prowadził zajęcia wyłącznie dla studentów pierwszych lat studiów, i była to okazja szczególna w latach akademickich 1961/1962 i 1962/1963 z krótką powtórką w roku 1964, kiedy to wygłosił wykłady, które miały się stać _Feynmana wykładami z fizyki_.

W tym czasie na Caltechu panowało przekonanie, że pierwsze dwa lata obowiązkowych przedmiotów fizycznych raczej studentów odstręczały, niż dopingowały. Aby zaradzić tej sytuacji, Feynmana poproszono o zaprojektowanie dwuletniego cyklu wykładów, przez który miał przejść jeden rocznik studentów. Kiedy się zgodził, natychmiast postanowiono, że wykłady te powinno się spisać i opublikować. Zadanie to okazało się o wiele trudniejsze, niż ktokolwiek przypuszczał. Stworzenie nadającej się do publikacji książki wymagało ogromnego nakładu pracy zarówno ze strony współpracowników Feynmana, jak i jego samego, dokonującego ostatecznej redakcji każdego wykładu.

Należało się też zająć sprawami związanymi z prowadzeniem kursu. Zadanie to znacznie utrudniał fakt, że Feynman tylko ogólnikowo zarysował, co chce omówić. Oznaczało to, że nikt nie wiedział, co Feynman powie, dopóki nie stanął na sali wykładowej wypełnionej studentami i tego nie powiedział. Wtedy w popłochu zespół asystentów próbował jak najlepiej poradzić sobie z przyziemnymi szczegółami, takimi jak wymyślanie zadań domowych.

Dlaczego Feynman poświęcił ponad dwa lata na zrewolucjonizowanie sposobu, w jaki nauczano wprowadzenia do fizyki? Można się jedynie domyślać, ale były ku temu prawdopodobnie trzy podstawowe powody. Po pierwsze, uwielbiał mieć publiczność, a tę miał tu większą niż zazwyczaj na kursach zaawansowanych. Po drugie, autentycznie zależało mu na studentach i po prostu uważał uczenie tych z pierwszego roku za ważne. Trzecim i być może najważniejszym powodem było samo wyzwanie przeformułowania fizyki tak, jak ją rozumiał, aby dało się ją przedstawić młodym studentom. Była to jego specjalność i miara, według której oceniał, czy coś naprawdę się zrozumiało. Poproszony kiedyś przez pewnego nauczyciela akademickiego Caltechu o wyjaśnienie, dlaczego cząstki o spinie 1/2 podlegają statystyce Fermiego-Diraca, Feynman, doskonale oceniwszy swoją publiczność, powiedział, że „przygotuje na ten temat wykład dla pierwszorocznych studentów”. Wrócił jednak po kilku dniach, mówiąc: „Wiesz co, nie dałem rady. Nie udało mi się sprowadzić tego do poziomu studenta pierwszego roku. To znaczy, że tak naprawdę tego nie rozumiemy”.

Ten talent do sprowadzania głębokich idei do postaci prostej i zrozumiałej przebija z całych _Feynmana wykładów z fizyki_, ale nigdzie nie jest wyraźniejszy niż w jego potraktowaniu mechaniki kwantowej. Dla zapaleńców jest jasne, co zrobił. Przedstawił początkującym studentom metodę całek po trajektoriach – technikę własnego pomysłu, która pozwoliła mu rozwiązać jedne z najbardziej fundamentalnych problemów w fizyce. Jego prace wykorzystujące całki po trajektoriach, pośród innych dokonań, dały mu w 1965 roku Nagrodę Nobla współdzieloną z Julianem Schwingerem i Shin’ichirō Tomonaga.

Przywołując wspomnienia zza mglistej zasłony czasu, wielu uczestniczących w wykładach studentów i wykładowców mówiło, że dwa lata fizyki z Feynmanem było doświadczeniem niezapomnianym. Ale w tamtym okresie wrażenie było zgoła odmienne. Zajęcia te wielu studentów napawały lękiem, a frekwencja tych, którzy się na kurs zapisali, w miarę jego trwania niepokojąco spadała. Równocześnie na zajęcia zaczynało uczęszczać coraz więcej wykładowców i doktorantów. Sala pozostawała pełna, przez co Feynman mógł nie spostrzec, że traci część docelowych słuchaczy. Ale nawet w jego własnej opinii to pedagogiczne przedsięwzięcie nie odniosło sukcesu. W przedmowie do _Wykładów_ z 1963 roku napisał: „Nie sądzę, żeby względem studentów poszło mi zbyt dobrze”. Przy powtórnym czytaniu tych książek można czasem odnieść wrażenie, że Feynman spogląda przez ramię nie na młodych słuchaczy, ale bezpośrednio na swoich kolegów po fachu, mówiąc: „Spójrzcie tu! Zobaczcie, z jaką finezją omówiłem tę kwestię! Pomysłowo, prawda?”. Ale nawet wtedy, gdy wydawało mu się, że wyjaśnia rzeczy w sposób zrozumiały dla studentów pierwszego czy drugiego roku, to wcale nie oni byli w stanie najbardziej z tego skorzystać. To inni zawodowcy – naukowcy, fizycy, profesorowie – byli głównymi beneficjentami tego świetnego dzieła, dającego im nie mniej niż możność spojrzenia na fizykę z dynamicznej i świeżej perspektywy Richarda Feynmana.

Feynman był kimś więcej niż tylko świetnym nauczycielem. Miał dar bycia nadzwyczajnym nauczycielem nauczycieli. Jeśli celem _Feynmana wykładów z fizyki_ miało być przygotowanie klasy pełnej studentów do rozwiązywania problemów egzaminacyjnych z fizyki, to nie można powiedzieć, żeby mu się to udało nazbyt dobrze. Jeśli, co więcej, w zamierzeniu książki te miały służyć jako wprowadzające podręczniki uniwersyteckie, to nie można powiedzieć, że ów cel osiągnął. Mimo to książki przetłumaczono na dziesięć języków i są dostępne w czterech wydaniach dwujęzycznych. Sam Feynman był przekonany, że jego najważniejszym wkładem do fizyki nie będzie QED, teoria nadciekłego helu, polarony czy partony. Będą nim trzy czerwone tomy _Feynmana wykładów z fizyki_. Przekonanie to w pełni uzasadnia niniejsze pamiątkowe wydanie tych słynnych książek.

_Kwiecień 1989_

David L. Goodstein

Gerry Neugebauer

Kalifornijski Instytut Technologiczny