누군가 물리학에 대해 열성적으로, 열정적으로, 열성적으로 이야기할 수 있다면 바로 리처드 파인만이었습니다. 그 미국인의 강의는 세계적으로 유명하다. 물리학자로서 그는 새로 개발된 양자이론을 양자전기역학으로 더욱 확장했다. Kennislink는 이 화려한 물리학자에게 '가상 인터뷰'에서 이것을 설명하고 싶은지 물었습니다.
신동이자 말괄량이, 노벨상 수상자이자 국가적 영웅인 리처드 파인만(1918~1988)이 전부였습니다. 존재하는 가장 작은 입자 사이의 상호 작용 분야에서 물리학에 대한 그의 공헌은 큰 가치를 지닙니다. 그는 물리학에 대한 무조건적인 사랑을 갖고 있었고 그것에 대해 열정적으로 이야기할 수 있었습니다.
파인만은 아이디어가 넘쳤고 생동감 넘치는 외모로 많은 사람들을 즐겁게 했습니다. 그는 또한 금고털이꾼이자 봉고 연주자이자 여성화자이기도 했습니다. '플레이보이 학자'는 맨해튼 프로젝트에 협력해 챌린저 폭발을 풀어냈다. 그는 자신의 인상적인 경력에 대해 Kennislink와 기꺼이 대화를 나눴습니다.
미스터. 파인만, 당신과 이야기를 나누게 되어 정말 영광입니다! 방금 호텔 방에서 나간 여자를 그냥 무시해야 할까요? “하하, 아 그렇군요 내가 인생에서 많은 모험을 겪었다는 것은 지금쯤 잘 알려져 있습니다. 제가 코넬 대학교에 있을 때 그들은 저를 농담으로 "플레이보이 학자"라고 불렀습니다. 나는 과학 교수들이 한 번도 가지 않은 라스베거스의 모호한 클럽에 들어갔습니다. 여자들은 정기적으로 집에 갔습니다. 네, 저는 많은 연애 관계를 가졌습니다. 하지만 이제 저는 Gweneth(그의 세 번째 아내, ed.)와 결혼했습니다. ) 내 삶은 평화롭습니다. 나의 첫 번째이자 유일한 정말 위대한 사랑은 Arline이었습니다. 그녀는 결핵으로 너무 일찍 세상을 떠났습니다.”
당신의 가장 큰 열정은 결국 언제나 과학이었습니다. 그 열정은 어디서 나오는 걸까요? “저는 그것을 아버지 멜빌에게서 물려받았습니다. 그는 과학에 관한 모든 사람이었습니다. 나의 어머니 Lucille이 나를 임신했을 때 그는 이미 이렇게 말했습니다. “남자라면 과학자가 될 거예요.” 그러기 위해 최선을 다했구나, 하하(크게 웃는다, 레드.) ). 그는 나에게 자연이 어떻게 작동하는지, 그리고 현상 뒤에 무엇이 있는지에 대한 모든 것을 가르쳐 주었습니다.
그는 종종 저를 박물관에 데리고 가서 브리태니카 백과사전을 읽어 주었습니다. 산책하는 동안 그는 자연의 모든 것을 보여주었습니다. 아버지는 결코 나에게 과학자가 되라고 압력을 가한 적이 없으셨지만 아버지의 유쾌한 대화는 나에게 과학에 대한 동기를 부여해 주었습니다. 그리고 어쩌다보니 제가 물리학을 제일 잘하게 됐어요. (그는 웃으며 말했습니다. ed. ). 그런 유머는 어머니한테서 물려받았어요."
학교에서 물리학을 잘하셨나요? “예, 저는 고등학교 때 이미 1학년 때 최고 수준의 대수학 수업을 들었습니다. 나는 지식을 얻고 문제를 해결하는 데 큰 자극을 받았습니다. 그때도 너무 궁금했어요. 집에서는 현미경으로 동물을 관찰하거나 장치를 만지작거렸습니다. 그 안에서 내가 누렸던 즐거움은 나의 운전이었습니다 세상을 발견하기 위해.
고등학교 3학년 때 저는 Abram Bader의 가르침을 받았습니다. 수업이 끝난 후 그는 저에게 전화를 걸어 흥미로운 이야기를 하고 싶다고 말했습니다. 그는 나에게 고급 수학 책을 주면서 최소 행동의 원리에 대해 말해주었습니다. 그것은 항상 나를 매료시켰고 양자전기역학(QED)에 대한 나의 연구의 기초를 형성했습니다."
당신이 말한 '빛과 물질에 관한 이상한 이론'입니다. 어떻게 시작하셨는지 알려주실 수 있나요? “저는 MIT에서 박사 과정을 밟고 있었는데 지도교수인 John Wheeler가 자주 그랬듯이 저에게 한 가지 문제를 제시했습니다. 그런데 이번에 고민이 많았어요. 그것은 전자가 자기 자신과 어떻게 상호작용하는지에 관한 것이었습니다. 그 문제는 관련성이 있었습니다. 당시 사람들은 전기와 자기에 대한 양자 이론을 찾고 있었기 때문입니다. 보세요, Maxwell은 클래식을 갖고 있었습니다. . 전자기학에 대한 그의 방정식 상황이 설명되어 있습니다. 그러나 이제 양자역학은 1920년대에 탄생했고 전자나 양성자와 같은 입자는 우리가 생각했던 것과는 완전히 다른 법칙을 따른다는 것이 분명해졌습니다. 사람들은 맥스웰의 전자기학을 '양자 재킷'에 넣을 방법을 찾고 있었습니다. :양자전기역학.
그리고 전자가 자기 자신과 상호작용하는 문제가 여기에 어떻게 들어맞나요? “인내, 인내. 나는 설명한다. 나의 위대한 영웅 폴 디랙(Paul Dirac)은 1928년에 QED를 향한 첫 걸음을 내디뎠습니다. 그는 전하와 전자기장의 상호 작용을 설명할 수 있는 방정식, 즉 디랙 방정식을 고안했지만 그 방식은 아인슈타인의 특별한 이론을 만족시켰습니다. 상대성 이론과 슈뢰딩거 방정식, 즉 양자 입자의 기본 공식을 말합니다. 문제는 Dirac 방정식의 일부 해법에 "무한대"가 나타났다는 것입니다. 예를 들어, 전자가 다른 입자에 가하는 전기력은 해당 입자로부터의 거리에 반비례합니다. 그러나 전자 자체에서는 - 우리는 전자를 '점'으로 묘사합니다 - 거리는 0이고 힘은 무한대에 이릅니다! 우리는 그럴 수 없었기 때문에 Dirac에 따르면 전자와 그 자체의 상호 작용에 대한 '획기적으로 새로운 아이디어'가 필요했습니다."
이런 '획기적으로 새로운 아이디어'가 있었나요? “글쎄, (불편하게 시선을 돌리는 빨간색 ) 실제로. 나는 전자가 자신에게는 영향을 미치지 않고 다른 전하에만 영향을 미친다고 가정했습니다. 이는 이제 설명하기에는 너무 광범위한 다른 문제로 이어졌습니다. 전체적으로 전자기장의 개념을 버리게 만들었습니다. 나는 하나의 전하가 다른 전하에 힘을 가하는 이미지를 형성했는데, 그 사이에는 장(field)이 없습니다. 말하자면 '멀리 있는' 힘. 아직도 이해하고 있나요? 힘든 일이라는 건 알지만, 조금만 버텨보세요!
저는 제 지도교수인 John과 함께 수학을 했고, 멀리 있는 힘에 대한 우리의 생각이 '행동'이라는 용어로 공식화될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 운동에 에너지가 얼마나 드는지를 말해주는 것입니다. 전하가 다른 입자에 힘을 가하면 이는 항상 최소 작용으로 발생하며 최소 작용의 원리를 그렇게 부릅니다. 하전입자의 최소 작용은 항상 맥스웰 방정식이 예측하는 움직임과 정확히 일치한다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 우리는 고전 전기역학을 장의 관점이 아닌 먼 거리에 있는 힘의 관점에서 새롭게 설명했습니다."
아하, 이제 이것의 '양자 버전'을 만드는 것이 중요했나요? “맞아요, 아주 좋아요 ! 그것은 쉽지 않았습니다. 왜냐하면 저는 색다른, 색다른 설명을 가지고 있었기 때문에 양자화에 대한 '정상적인' 규칙도 적용할 수 없었기 때문입니다. 1933년 Dirac 기사가 나를 시작하게 만들었습니다. 이는 예를 들어 양자 상태가 어떻게 변하는지 또는 입자의 운동이 무엇인지 알려주는 수학적 함수를 설명합니다. 이 함수는 단지 합계에 관한 것이기 때문입니다. 움직임은 입자적이었고 특정 순간의 위치에 관한 것이 아니라 이것을 사용할 수 있었습니다.
이 함수는 양자 상태가 어떻게 변하는지에 대한 확률을 제공하므로 입자가 특정 경로를 취할 확률은 얼마입니까? 그 확률 속에 행동이 숨겨져 있습니다. 그 용어를 기억하시나요? 이제 참고:두 지점 사이의 가능한 각 경로에 대한 확률을 합산하면 입자의 전체 모션(예:두 지점 사이)에 대해 말할 수 있습니다. 저는 이를 위한 수학적 방법인 경로 적분을 설계했습니다. 이제 농담은 다음과 같습니다. 고전적인 상황에서 경로 적분은 최소한의 동작으로 움직임을 계산합니다. '양자 상황'에서는 입자가 특정 움직임을 만들 가능성이 있습니다. 이 공식은 슈뢰딩거 방정식과 동일하며 계산하기도 더 쉽습니다!"
자세히 살펴보겠습니다. 박사 학위를 취득한 후에도 맨해튼 프로젝트 때문에 주제를 포기해야 했습니다. 우리 시리즈에서 Albert Einstein과 Niels Bohr는 맨해튼 프로젝트와 가능한 한 관련이 적고 싶다고 말했습니다. 당신은 전적으로 협력했습니다. 그 기간에 대해 알려주세요. “사실 로버트 윌슨이 원자폭탄에 대한 비밀 조사를 요청했을 때 나는 참여하고 싶지 않았습니다. 나는 논문에 집중하고 싶었고 Arline은 매우 아팠습니다. 그런데 독일이 원자폭탄을 개발할 것이라는 생각을 했을 때 너무 싫었기 때문에 동참하기로 결정했습니다.
나는 1943년 3월에 로스앨러모스로 이사했습니다. 그런데 그것에 관한 좋은 이야기가 있습니다. 우리는 프린스턴 역에서 기차표를 사지 말라고 조언받았습니다. 결국, 장비와 도구가 담긴 많은 상자가 이미 그곳에서 Los Alamos로 보내졌기 때문에 우리는 이 하찮은 장소에 너무 많은 관심이 쏠릴 위험을 감수하고 싶지 않았습니다. 하지만 저는 모두가 그것을 준수한다면 아무 문제 없이 프린스턴에서 티켓을 살 수 있다고 생각했습니다. 그러자 카운터 뒤에 있던 여자가 나에게 '아, 그렇다면 그 물건은 모두 당신 것입니다!'라고 말했습니다.
어쨌든 저는 로스앨러모스에서 약 150km 떨어진 앨버커키에 있는 병원에 아라인을 입원시켰습니다. 나는 주말마다 그녀를 방문했고 매일 편지를 보냈습니다. 그것은 일에 방해가 되는 좋은 일이었습니다. Los Alamos에서 제가 하는 일은 계산과 모델 제작, 기계 조립 또는 수리 등 다양했습니다. 나는 또한 프로젝트 구성의 약점을 발견하는 데 어려움을 겪었습니다. 나는 금고를 부수는 놀이를 하다가 곧 도둑으로 알려지게 되었습니다!"
1945년 여름, 원자폭탄의 성공적인 시험인 삼위일체 시험이 실시되었습니다. 거기 있었나요? “예, 하지만 딱 맞춰서요. Arline은 안타깝게도 한 달 전에 세상을 떠났습니다. 저는 휴가 중이었는데 Hans Bethe(부서장, red.) ) '아이가 태어날 거다'는 소식을 듣고 곧바로 로스앨러모스로 돌아갔다. 우리는 폭발을 보기 위해 버스를 타고 0번 지점으로 갔습니다. 나만 빼고 모두 선글라스를 끼고 있다. 나는 지프 뒤에 숨었다. 그래서 육안으로 거대한 주황색 구체와 중앙에서 나오는 빛의 섬광을 볼 수 있었습니다.
이번 테스트는 우리의 예측이 맞았는지 확인하는 첫 번째 순간이었습니다. 분비물은 엄청났습니다. 우리의 노력이 헛되지 않았다는 사실에 안도감을 느꼈습니다. 긴장감이 너무 심해서 탬버린을 치는 걸 참을 수가 없었어요!"
당신이 만든 것이 마음에 들지 않았나요? “당시에는 시험에 합격해서 정말 기뻤는데, 일본에서 결과를 보고 너무 슬펐어요. 나는 오랫동안 그것으로 고통 받았습니다. 만약 그런 폭탄이 뉴욕에 떨어지면 어떤 결과가 나올지 상상해봤습니다.”
전쟁에 대한 내용은 여기까지입니다. 다시 양자 물리학으로 돌아가겠습니다. 코넬대학교 교수로 시작했다가 다시 시작하셨나요? “실제로 저는 연구와 교육을 결합했습니다. 정말 즐거운 일이었습니다! Shelter Island에서 컨퍼런스가 열렸을 때 나는 경로 적분 방법에 관한 기사를 쓰고 있었습니다. 나는 많은 회의에 참석했지만 이번 회의만큼 중요한 회의는 없었습니다. 여기에서 윌리스 램(Willis Lamb)과 이시도르 라비(Isidor Rabi)는 디랙의 이론이 특정 부분에서 완전히 옳지 않다는 것을 보여주는 실험을 제시했습니다.
“나는 내 방법으로 이 문제를 해결할 수 있다는 것을 알고 있었지만 이전에는 장을 기반으로 하는 일반적인 전기 역학에 내 방법을 적용한 적이 없었습니다. 몇 달 간의 노력이 필요했고 그 후에 완전한 이론을 종이에 담았습니다. 또한 Lamb과 Rabi의 새로운 실험 결과도 설명할 수 있었습니다. 아직 출판하지 않았을 뿐입니다. 불행하게도 성공적인 해결책을 제시한 사람은 나뿐만이 아니었습니다!”
경쟁자는 누구였습니까? 나와는 달리 당시 잘 알려진 줄리안 슈윙거(Julian Schwinger)는 일반적인 장 이론에 기초하여 QED의 새로운 공식을 개발했습니다. 그는 1948년 회의에서 그것을 발표했습니다. 그러나 그것은 한 가지 작은 결함을 담고 있었고 나는 그에게 이를 지적할 만큼 대담했습니다. 내 이론상으로는 그게 맞았다. 청중이 '위대한 줄리안 슈윙거'에 대해 어떻게 생각할까요?
나는 다음 회의에서 내 방법을 발표했지만 수학적 측면에 너무 집중하는 실수를 저질렀습니다. 그것들은 너무 비정형적이고 아직 완벽하게 완성되지 않았기 때문에 대중은 확신하지 못했습니다. 동안:나는 내 이론을 바탕으로 전자와 광자 사이의 상호 작용과 같은 QED의 현상을 매우 쉽게 계산할 수 있는 규칙을 만들 수 있었습니다. 나에게 필요한 것은 그것을 명확하게 하는 방법이었습니다."
예상치 못한 곳에서 도움을 받았습니다… “내 동료 프리먼 다이슨으로부터! 그는 내 기사에 사용한 작은 그림, 즉 다이어그램이 내가 작성한 규칙을 시각적으로 표현하는 데 매우 적합하다는 것을 알았습니다. 이 도표를 이용하면 누구나 쉽게 QED를 계산할 수 있습니다. Dyson 덕분에 모든 사람에게 알려졌고 모든 컨벤션에서 홍보했습니다! 다행스럽게도 일본의 토모나가 신이치로(Sinichiro Tomonaga)가 QED의 세 번째 공식을 발표하면서 화제가 되었기 때문입니다. 결국 슈윙거, 토모나가, 나 세 사람은 QED에 대한 설명으로 노벨상을 수상했습니다.”
파인만 다이어그램을 사용하면 입자에 대한 필드의 영향과 같은 QED의 프로세스를 훨씬 쉽게 계산할 수 있습니다. 다이어그램에서 화살표는 입자와 파동을 나타내고, 컬이나 대시는 힘을 나타냅니다. 상호작용은 노드에서 발생합니다. 왼쪽 그림에서 시간은 아래에서 위로 이동합니다. 이는 두 개의 전자가 광자를 교환하는 과정을 설명합니다. 한 전자는 다른 전자에 의해 흡수되는 광자를 방출합니다.
당신은 연구 외에도 열정적인 교육 방식으로 국제적인 명성을 얻었습니다. “교육은 대단한 열정이었습니다. 아시다시피 강의실은 일종의 극장이고 교수로서 당신은 배우입니다. 청중을 즐겁게 해야 합니다. 하지만 나의 즐거움은 흥미진진한 광경을 만드는 데 있는 것이 아니라, 내 직업에 대한 사랑을 전달하고 싶었습니다. 그 젊은이들도 나만큼 호기심을 갖게 만들죠! 구체적인 사례를 찾아봤습니다. 책에는 학생들이 외운 정의가 포함되어 있는 경우가 많았습니다. 하지만 그들은 그것을 적용하는 방법을 이해했습니까? 글쎄요! 이름과 정의에서 아무것도 배울 수 없으며, 무엇인가가 무엇을 하는지 아는 것이 중요합니다."
귀하의 방법이 성공했습니다. 캘리포니아 공과대학(Caltech)에서의 수업은 곧 잊혀지지 않을 것입니다. “정말 재미있었어요. Caltech의 동료인 Matthew Sands는 물리학 커리큘럼을 개선하기를 원했고 나에게 학생들을 위한 새롭고 현대적인 과정을 가르쳐달라고 요청했습니다. 이번 물리학 강의에서는 저만의 방식으로 표현해 보았습니다. 강의는 쇼였고 많은 청중이 참여할 수 있었습니다. 나는 그것을 실험으로 보았다. 학생들이 시험을 더 잘 준비할 수 있도록 성공했다고는 생각하지 않습니다. 하지만 제 목표는 학생들이 자연의 경이로움을 인식하도록 만드는 것이었습니다.”
1986년 우주왕복선 챌린저호가 그토록 비극적으로 추락한 이유를 조사하는 위원회에서 활동하면서 당신은 국가적 영웅이 되었습니다. 어떻게 되었나요? “처음에는 출연을 거부했어요. 나는 결코 정부와 어떤 관계도 맺고 싶지 않았습니다. 하지만 내 친구들과 Gweneth의 권유로 나는 어쨌든 4개월 동안 일하기로 결정했습니다. 좋은 경험은 아니었어요. 나는 위선과 거짓말, 부정직한 정치인들로 가득 찬 세상을 마주했습니다. 다행히 문제의 핵심인 로켓 모터 주위의 틈을 메우는 고무링에 접근할 수 있었습니다.
발사 전날 아침은 너무 추워서 고무가 평소보다 덜 유연했습니다. 발사 과정에서 고무가 균열을 충분히 메우지 못해 극도로 뜨거운 배기가스가 균열을 통해 새어 나올 수 있었다. 로켓 연료와 접촉하자 우주 왕복선이 폭발했습니다.
기자회견에서 나는 모든 사람이 볼 수 있는 간단한 실험을 통해 원리를 입증할 수 있었습니다. 그들은 안전 요구 사항을 충족하기에는 작업을 너무 빨리 완료하기를 원했습니다. 그러나 기술이 성공하려면 현실이 승리해야 합니다. 자연을 속일 수는 없습니다."
마지막으로 봉고 게임을 좋아하셨어요. 우리를 위해 한 곡 연주하시겠습니까? “물론이죠! 간다…”
