Juan Carretero - Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Период с 1925 по 1933 год известен как «героический» в жизни Дирака. Благодаря своей научной деятельности он стал одним из крупнейших физиков в истории. Всего за восемь лет из совершенно неизвестного ученого Дирак превратился в лауреата Нобелевской премии. Слава не изменила его привычек, он остался таким же отстраненным и недоступным — как для широкой публики, так и для своих студентов и коллег. За исключением физики и двух своих серьезных увлечений — путешествий и прогулок в горах, — Дирак не выказывал никакого интереса к любой другой деятельности или области знания. Его жизнь вращалась вокруг работы и научных публикаций; написание его биографии, таким образом, сводится по большей части к комментированию трудов ученого. Это и есть главная цель данной книги. В следующих главах мы представим и объясним ключевые научные открытия Дирака. Однако для лучшего понимания работы Дирака нужно знать и основные события его жизни.

Работы ученого во время его «героического периода» окончательно изменили физику того времени и заложили основы для будущего развития теоретической физики. На самом деле практически невозможно понять современную физику без учета вклада Дирака. Какими были его главные научные свершения и почему они считаются настолько важными? Дирак является одним из основателей квантовой физики. Независимо от немецких коллег он разработал новый формализм квантовой теории — «квантовую алгебру». Дирак придал квантовой теории самую строгую и универсальную математическую форму — «самое прекрасное представление квантовой механики», по словам Эйнштейна. Его теория преобразований включает три знаменитых формализма квантовой теории: матричную механику, волновую механику и квантовую алгебру. Квантовая теория благодаря Дираку получила единый и последовательный подход, а также физическую интерпретацию волновой функции. Таким образом, Дирак ввел в обиход представления и понятия, которые являются частью используемого сегодня языка любого текста по квантовой механике. Каждый студент, изучающий физику, должен знать «обозначения Дирака», или «обозначения бра и кет» и свойства функции (функции Дирака), прежде чем приступить к квантовой теории.

Самыми большими открытиями британского ученого, поразившими его коллег, стали, наверное, выведение квантового релятивистского уравнения электрона и теория взаимодействия излучения и вещества. Впрочем, оба эти открытия взаимосвязаны. Приложение релятивистской теории к квантовому миру ясно показывает, в чем заключается главная проблема: количество частиц не сохраняется. Принцип неопределенности Гейзенберга и принцип эквивалентности массы и энергии допускают существование процессов, во время которых частицы постоянно рождаются и разрушаются. Даже если это явление присутствовало в релятивистском уравнении электрона, Дираку понадобилось несколько лет для того, чтобы полностью осознать его. Вместе с уравнением Дирака появился мир античастиц, а вместе с ним возник способ объяснения и описания взаимодействия излучения с веществом. Сегодня стандартная модель считается актуальной «парадигмой» физики. Квантовая теория поля стала концептуальной и математической основой, позволяющей нам описать поведение природы, начиная с ее основополагающих составляющих. Огромный вклад Дирака в физику заключается в том, что он заложил фундамент и ввел в обиход главные понятия, которые позволили развить квантовую теорию поля и теорию элементарных частиц.

Связь квантового релятивистского уравнения электрона и квантовой теории излучения породила квантовую электродинамику — теорию, объясняющую поведение электронов и антиэлектронов и то, как они взаимодействуют со светом и между собой. Дирак указал физике направление развития. Он первым заговорил о взаимодействии частиц как о процессе обмена фотонами, первым сослался на понятия эффективной массы и эффективного заряда, равно как и на метод перенормировки. Работы, осуществленные им в «героический период», составляют основу квантовой теории излучения. Они послужили источником вдохновения для многих физиков, которые спустя 20 лет развили его идеи в «новую» квантовую электродинамику. Эта физическая теория остается одной из самых точных вплоть до наших дней. Именно квантовая теория поля стала великим наследием Дирака и одновременно, как мы увидим, его самым большим разочарованием.

В книге «Великие физики», написанной Уильямом Кроппером, собраны биографии некоторых важнейших представителей этой науки. Каждому жизнеописанию предшествует одна простая фраза, заключающая в себе основное качество или главную характеристику личности. Фраза перед биографией Дирака представляет собой одно-единственное уравнение (оно же воспроизведено и на мемориальной доске в Вестминстерском аббатстве). Редко случается такое отождествление физика и уравнения, исключение представляет собой лишь Эйнштейн и его знаменитое соотношение энергии и массы. Но глобальная разница заключается в том, что все знают формулу Эйнштейна, тогда как уравнение Дирака никому не известно — как того всегда и хотел Дирак. Речь идет о формально простом и лаконичном уравнении: (i·-М) = 0. Однако оно заключает в себе неожиданное открытие — антивещество, и объяснение решений уравнения Дирака привело к настоящей революции.

1902Поль Адриен Морис, сын Шарля Адриена Л. Дирака, швейцарского эмигранта и преподавателя французского, родился в Бристоле (Англия) 8 августа.

1918Начинает учебу на инженерном факультете в университете Бристоля и в 1921 году получает диплом.

1921Изучает прикладную математику в университете Бристоля.

1923Поступает в университет Кембриджа со стипендией Отдела научных и промышленных исследований. Начинает изучать квантовую теорию под руководством Ральфа Фаулера.

1925Знакомство с работами Гейзенберга знаменует поворот в жизни Дирака. Начинает публиковать свои исследования в области квантовой механики и становится одним из «основателей» новой теории.

1926Защита докторской диссертации. Первые поездки в Копенгаген и Геттинген. Публикует свои первые работы, посвященные взаимодействию излучения и вещества.

1928Публикация статьи Дирака «Квантовая теория электрона» с первым релятивистским квантовым уравнением. Эта невероятно успешная работа порождает одновременно и большую путаницу: что делать с содержащимися в уравнении состояниями отрицательной энергии?

1929Первые поездки в США и Японию.

1930Дирак избран членом Королевского общества. Опубликованы его «Принципы квантовой механики», которые становятся основной книгой по этому предмету.