Juan Carretero - Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Дирак оказался в Копенгагене во время разгара споров о вероятностной интерпретации волновой функции Шрёдингера. Месяцем раньше Борн разработал эту вероятностную интерпретацию, использовав квадрат значения волновой функции. Однако ее отвергли такие блестящие физики, как Эйнштейн и в том числе сам Шрёдингер. Зато вероятностная интерпретация была принята Бором и большинством его соратников. Хотя Шрёдингер доказал математическое соответствие волновой и матричной механики, значительная часть физиков полагала, что необходимо выработать единую схему, которая объединила бы различные формулировки квантовой механики, введя вероятностную интерпретацию волновой функции и ее соотношение с матричными операторами. Эта схема была разработана независимо друг от друга Дираком и Йорданом. Статья Дирака появилась в январе 1927 года под названием с Физическая интерпретация квантовой динамики». Она считается одной из самых важных и самых полных его работ. В частности, в статье была представлена самая строгая и самая общая математическая формулировка квантовой механики.

Дирак назвал ее «теорией преобразований». Ученый всегда испытывал некоторую гордость по поводу данной теории, которую он, по его собственным словам, шаг за шагом выстраивал, опираясь исключительно на логические рассуждения. «Эта работа доставила мне больше удовольствия, чем все другие, предыдущие или последующие»,— говорил Дирак. Коллеги признали общий и оригинальный характер его работы и были впечатлены неумолимостью его логики. Они увидели в ней «необычайный прорыв». Однако стиль Дирака остался неизменным, и такие крупные физики, как Оскар Клейн, не могли не заметить:

«Нам понадобилось некоторое время, чтобы понять его аргументы, поскольку на своих семинарах он тщательно писал на доске все формулы и рисовал графики, но практически не пояснял их. За ходом его рассуждений было действительно тяжело следить».

Матричная механика, или алгебра q-чисел, и волновая механика были очень разными теориями, которые описывали одни и те же природные явления. Требовалось соотнести их, чтобы показать, что они являются равнозначными. Дирак представил свою работу следующими словами:

«Вот общая схема, в ней сформулированы все вопросы, на которые квантовая теория может ответить однозначно. Она содержит всю физическую информацию, которую можно получить из квантовой динамики, и то, каким способом можно это осуществить».

Рассмотрим кратко некоторые основные аспекты новой теории Дирака. В рамках матричной механики Гейзенберга, Борна и Йордана утверждается использование канонических преобразований. «Каноническим преобразованием» называют любое преобразование, сохраняющее основные количественные отношения. Возьмем, например, случай с двумя квантовыми операторами, связанными с положением (q) и моментом (р), для которых qp -pq = iħI, где I является матрицей тождественного оператора. Каноническое преобразование заключается в определении оператора преобразования, который позволяет выстроить две новые динамические квантовые переменные (Р, Q), продолжающие соблюдать отношение квантования PQ - QP = iħI. Отношение между изначальными переменными и новыми выражается следующим образом:

Р=ТрТ -1, Q = TqT -1

где Т является оператором преобразования, а T -1— его обратной величиной, то есть TT -1= T -1T = I. Использование канонических преобразований подтверждается в процессе диагонализации гамильтониана, который позволяет определить энергии рассматриваемой системы.

Главной целью Дирака было определение «реального» значения оператора преобразования и его отношения к волновой функции Шрёдингера. Дирак заключил, что собственные функции волнового уравнения Шрёдингера соответствуют операторам преобразования, которые позволяют получить диагональный вид гамильтониана. Так физик соединил в одно целое формализм квантовых операторов Гейзенберга, Борна и Йордана и их правила квантования и формализм Шрёдингера с его дифференциальным уравнением и его волновой функцией. Теория преобразований вводила, кроме того, свойства и принципы, которые Дирак считал главными в любой квантовой теории. Эти свойства стали точкой отсчета значительной части его последующих работ.

Величие научной идеи зиждется на ее способности поощрять мысль и открывать новые направления для исследования.

Поль Дирак

В ходе разработки теории преобразований Дирак ввел новую важную переменную, которая со временем стала полезным инструментом развития современной физики, — функцию δ. Язык современной физики невозможно понять без ее использования. В наши дни любой текст по квантовой теории содержит специальные разделы, посвященные функции Дирака и ее главным свойствам, она участвует в решениях всех проблем, относящихся к субатомному миру. В статье «Физическая интерпретация квантовой динамики» Дирак писал о введении функции δ:

«Мы не можем двигаться вперед в развитии матричной теории с вереницей строк и столбцов, не введя для этого функцию с-числа, называемого х, которая равна нулю во всех точках — кроме точки, где x крайне мало, — и интеграл которой в любой окрестности x = 0 равен 1».

Дирак сформулировал свою функцию в следующем виде:

δ(x) = 0, если x ≠ 0;

+∞

∫δ(x)dx = 1,

-∞

и затем утверждал:

«Конечно, δ(x) не является собственно функцией числа х, но она может рассматриваться как предел последовательности ряда функций. Как бы там ни было, δ(x) может использоваться как собственно функция в практических целях разрешения любой проблемы квантовой теории, и полученные результаты никогда не будут ошибочными».

Работа Дирака в очередной раз показалась коллегам восхитительной, но он не первым пришел к подобному выводу. Йордан изучал ту же проблему и разработал собственную теорию преобразований. И если путь двух физиков был разным, выводы их совершенно совпадали. Через два месяца после публикации работ Дирака и Йордана Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, математическая формулировка которого основывалась большей частью на теории Дирака — Йордана. Дирак сформулировал в своей работе идею, близкую к принципу неопределенности Гейзенберга:

Дирак не первым использовал функцию δ, но он обобщил ее применение, превратив ее в главный инструмент развития квантовой теории. Функция δ(x) не является математической функцией в обычном смысле слова, это не функция, которая имеет определенные значения в каждой своей точке. Напротив, она принимает значение 0 при всех значениях х, кроме точки, где х = 0 и где она превращается в бесконечность. Дирак называл ее «несвойственной функцией», чтобы отличить от обычных функций и показать, что ее использование должно ограничиваться определенным типом проблем, с которыми она совместима. Физик заметил, что его несвойственная функция при х=0 не имеет четко определяемого значения, поскольку она появляется как часть интегрирования, результат которого является прекрасно определяемой величиной. Строгий анализ функции δ(x) представлен в теории распределений, развитой в 1945 году математиком Лораном Шварцем (1915-2002). Поведение функции δ(χ) показано на рисунке 1, где видно, что она равна нулю на всем интервале величин х за исключением маленькой окрестности δ(χ) в самом начале. В представленном интервале максимум функции равен 1/ε. Следовательно, функция