Малая величина α позволила строить ранние модели КЭД с использованием теории возмущений. Физики начали вычислять вероятности для различных процессов, заряженных частиц, рассеивающихся повсюду, прыгающих вокруг фотонов, толкающих и притягивающих в разных направлениях. Точность их результатов составляла примерно α — иными словами, 1/137, то есть меньше 1 процента. Чтобы получить более точные результаты — с погрешностью менее 1 процента от 1 процента, — требовалось перейти к следующему порядку в теории возмущений, то есть α2 или даже выше. Это был всего лишь вопрос математических вычислений: фактически не было ничего, что могло пойти не так.
Однако пошло.
Все началось с Паули. Он понял, что одиночный электрон не так уж и одинок: он запускает электромагнитное поле. Всякий раз, когда мы концентрируем распределение заряда в какой-то маленькой области пространства, из-за этого электромагнитного поля мы должны совершать работу против сил отталкивания. Это означает, что мы должны подавать энергию в систему, и чем меньше область, тем больше работы придется проделать. Эта дополнительная энергия известна как собственная, и в случае электрона вы можете считать ее вкладом в массу электрона (вспомните: энергия и масса эквивалентны). Паули расстроила мысль, что электрон — точечная частица, втискивающая весь свой заряд в бесконечно малую область. Это увеличивало собственную энергию электрона и, соответственно, его массу до бесконечно больших значений.
Конечно, Паули понимал, что это не совсем так. Требовалось учесть квантовые эффекты, и у него была КЭД — правильная теория, позволяющая понять, что происходит на самом деле. Физик поручил эту задачу своему новому помощнику, высокому говорливому американцу, который выкуривал слишком много сигарет. Его звали Роберт Оппенгеймер.
Впоследствии во время Второй мировой войны Оппенгеймер стал главой лаборатории в Лос-Аламосе в штате Нью-Мексико. Под его руководством 16 июля 1945 года группа в Лос-Аламосе успешно взорвала первую атомную бомбу в пустыне Нью-Мексико. Позже Оппенгеймер заметил, что ему тогда пришли в голову слова из древнеиндийской священной книги «Бхагавадгита»: «Я — смерть, разрушитель миров». Менее чем через месяц ВВС США сбросили две такие бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки, где погибло более 200 000 человек.
В молодости Оппенгеймер работал под руководством Паули и был известен и своими способностями, и своей небрежностью. Паули как-то сказал: «Физика Оппенгеймера всегда интересна, но расчеты всегда ошибочны». Когда швейцарский ученый предложил своему ученику посмотреть на собственную энергию электрона, тот решил исследовать проблему в конкретных условиях: он начал с помощью КЭД рассчитывать спектр света, излучаемого атомами водорода. Как обычно, ему пришлось прибегнуть к теории возмущений. Поначалу это была относительно простая задача. Когда порядок составлял α, ему приходилось беспокоиться только о том, что протон в ядре обменивается виртуальным фотоном с вращающимся по орбите электроном. Однако когда он попытался вычислить поправки порядка α2, все стало сложнее. Оппенгеймер понял: есть вероятность, что электрон и фотон могут трансформироваться. В частности, ему приходилось беспокоиться об эффекте, когда электрон испускает фотон, а через мгновение поглощает его обратно. К своему ужасу, Оппенгеймер увидел, что этот эффект бесконечен! И это вовсе не было ляпом в вычислениях, на сей раз физик считал правильно. Проблема возникла из-за того, что такой кратковременный фотон мог нести любое количество энергии вплоть до бесконечности. Это означало, что нужно суммировать все такие варианты. Он надеялся, что суммирование как-то приведет к конечному ответу, но этого не произошло. Квантовую электродинамику поразил недуг бесконечности. Из-за Второй мировой войны недуг не могли вылечить почти два десятилетия.
Протон в атоме водорода взаимодействует со своим электроном. Левый рисунок показывает физические эффекты порядка α, соответствующие обмену виртуальным фотоном. На правом рисунке показана корректировка порядка α2, когда электрон испускает и сразу поглощает еще один виртуальный фотон
