Очередная сказка, которую рассказала перед сном своим детям принцесса Дзинтара, началась с небольшого вступления.
— Человеческий характер во многом закладывается в детстве. Так произошло и с Полем Дираком. Он родился в Англии, его отец, швейцарец, преподавал в Бристоле французский язык и требовал, чтобы дома все разговаривали только по-французски. Для англоязычных детей, а их в семье было трое, это оказалось непростым делом, поэтому мальчик рос молчаливым, склонным к уединённым размышлениям.
В шестнадцать лет Поль поступил в Бристольский университет на инженерный факультет, хотя его любимым предметом была математика. В дальнейшем, когда Дирак стал выдающимся физиком-теоретиком, он всё равно высоко ценил своё инженерное образование. «Раньше я видел смысл лишь в точных уравнениях. Мне казалось, что если пользоваться приближёнными методами, то работа становится невыносимо уродливой, в то время как мне страстно хотелось сохранить математическую красоту. Инженерное образование, которое я получил, как раз научило меня смиряться с приближёнными методами, и я обнаружил, что даже в теориях, основанных на приближениях, можно увидеть достаточно много красоты… Если бы не инженерное образование, я, наверное, никогда не добился бы успеха в своей последующей деятельности…»
Перед окончанием университета Поль проходил практику на одном из машиностроительных заводов, но там не были впечатлены талантами новоиспечённого инженера-электротехника и работу ему не предложили.
— Я так понимаю, что это стало огромным благом и для него, и для науки? — заметил Андрей.
— Полагаю, да. Если бы Дирак ушёл в инженерную деятельность, вряд ли бы он занялся фундаментальной наукой.
Оставшись без работы, Дирак увлёкся общей теорией относительности, с основами которой познакомился ещё во время учёбы в университете. Поль проштудировал знаменитую книгу по теории относительности английского физика-теоретика Артура Эддингтона и даже беседовал с её автором — признанным экспертом в этой области. Параллельно Поль два года занимался математикой в Бристольском университете, посещая его как вольно-слушатель. После блестящей сдачи экзаменов Дирак получил университетскую стипендию и грант от отдела образования Бристоля. Эти средства позволили ему продолжить образование в аспирантуре Кембриджского университета.
Случилось так, что в Кембридже его научным руководителем стал профессор, английский физик-теоретик, астрофизик и математик, специалист по статистической механике Ральф Говард Фаулер. Сначала Дирак был разочарован, но это быстро прошло. Фаулер познакомил молодого человека с идеями Нильса Бора и концепциями зарождающейся атомной физики. Дирак увлёкся новой темой. Впоследствии он писал: «Помню, какое огромное впечатление произвела на меня теория Бора. Я считаю, что появление идей Бора было самым грандиозным шагом в истории развития квантовой механики. Самое неожиданное, самое удивительное заключалось в том, что столь радикальное отступление от законов Ньютона дало такие замечательные плоды».
Свою диссертацию Дирак так и назвал: «Квантовая механика». На него сильное впечатление произвела лекция одного из её создателей — немецкого физика Вернера Гейзенберга, которую тот прочитал в Кембридже летом 1925 года. Дирак переписывался с Гейзенбергом, изучал его работы. «У меня есть наиболее веские причины быть почитателем Вернера Гейзенберга, — писал он. — Мы учились в одно время, были почти ровесниками и работали над одной и той же проблемой. Гейзенберг преуспел там, где у меня были неудачи. К тому времени накопилось огромное количество спектроскопического материала, и Гейзенберг нашел правильный путь в его лабиринте. Сделав это, он дал начало золотому веку теоретической физики…»
За несколько лет Дирак опубликовал ряд статей, которые вместе с работами Гейзенберга и ещё одного из создателей квантовой механики, австрийского физика-теоретика Эрвина Шрёдингера стали основой новой квантовой механики. Один из результатов, полученных Дираком, оказался особенно впечатляющим. Он сумел получить релятивистское уравнение для электрона…
— А что означает релятивистское уравнение? — спросила Галатея.
— Это уравнение, которое описывает движение тел при самых больших скоростях, но, разумеется, меньших, чем скорость света, ведь ни одному материальному телу, в том числе электрону, теория относительности не разрешает обгонять свет. К нерелятивистским уравнениям относятся, например, уравнения динамики Ньютона, — они описывают движение тел со скоростями, гораздо меньшими, чем скорость света.
В то время релятивистского уравнения для электрона не существовало. Дирак вспоминал: «…при согласовании квантовой механики с теорией относительности возникли трудности. Я был очень озабочен ими в то время, но других физиков по какой-то непонятной мне причине эти проблемы совершенно не волновали».
Дирак долго не мог получить нужную формулу. Он писал: «В течение нескольких месяцев эта задача оставалась нерешённой, и ответ возник совершенно неожиданно, явив собой один из примеров незаслуженного успеха».
— Как это «ответ возник неожиданно»? И почему этот успех Дирак называет незаслуженным? — спросила Галатея.
— Дирак поскромничал. Успех приходит лишь к тому, у кого много знаний и кто долго думает над решением задачи. Неожиданным бывает только конкретное решение, когда все части головоломки встают на свои места. Незаслуженным могут считать свой успех только очень скромные люди. Когда природа открывает им свои секреты, они могут считать это счастье незаработанным. Дирак был именно таким человеком. Он часто повторял, что уравнения должны быть красивыми и что у красивой теории гораздо больше шансов оказаться правильной. Итогом размышлений Дирака стало уравнение, которое описывало электрон и его спин. Сейчас его называют уравнением Дирака.
— Спин — что это такое? — перебила Галатея.
— Вопрос и простой и сложный. Если рассматривать электрон как обычный вращающийся шарик, то его вращение и называется спином.
— Это просто! — согласилась Галатея.
— Да, но если мы примем радиус шарика-электрона равным радиусу реального электрона, то получится, что его экваториальные области вращаются быстрее скорости света.
— Что теория относительности запрещает! — вспомнил Андрей.
— Верно. Значит, представлять электрон как простой вращающийся шарик нельзя. Физики до сих пор не до конца понимают, что и как в нём вращается.
— Это всё усложняет, — заметила Галатея и прищурилась, думая о таинственно вращающемся электроне.
— Вернёмся к уравнению Дирака, — сказала Дзинтара. — Оно прекрасно описывало электрон со спином, но неожиданно дало дополнительное решение — с формально отрицательной энергией электрона. Можно было объявить такое решение нефизическим, но уравнение Дирака указывало на определённую вероятность перехода электрона между состояниями с положительной и отрицательной энергией. И тут у Дирака, оказавшегося лицом к лицу со столь серьёзной дилеммой, возникла необходимость выбора одного из двух вариантов. Первый вариант — отбросить уравнение, противоречащее традиционным взглядам, как неправильное, и начать поиск другого уравнения. Второй вариант предполагал, что уравнение правильное, а традиционные взгляды неверны. Такой подход требовал смелости, и, как оказалось, Дирак ею обладал. Его кредо: «Посвящая себя исследовательской работе, нужно стремиться сохранять свободу суждений и ни во что не следует слишком сильно верить; всегда надо быть готовым к тому, что убеждения, которых придерживался в течение долгого времени, могут оказаться ошибочными».
В 1930 году после зрелого размышления Дирак выбрал второй вариант. Он решил, что его уравнение правильное и что существует некая новая частица — антипод электрона. Учёный объяснял своё решение так: в вакууме есть море частиц с отрицательной энергией (его впоследствии стали называть морем Дирака). Эти частицы невидимы и почти не влияют на мир частиц с положительной энергией. Если невидимому электрону из моря Дирака сообщить значительную энергию, то он перейдёт в видимое состояние с положительной энергией и станет обычным электроном. А на его месте в возмущённом море невидимых частиц появится «дырка» — точная копия электрона, рождённого из моря Дирака, но, в отличие от него, заряженная положительно. Если электрон столкнётся с «дыркой», они аннигилируют — уничтожатся, сбросив свою энергию в виде пары квантов света и оставив море Дирака невозмущённым.
Учёные отнеслись к концепции Дирака скептически, но их мнение резко изменилось, когда в 1932 году американский физик Карл Андерсон экспериментально обнаружил новую частицу — позитрон, во всём похожую на электрон, но заряженную положительно. Когда позитрон сталкивался с электроном, обе частицы исчезали, оставляя после себя два кванта света с энергией, которая была точно равна энергии аннигилировавшей пары частиц.
— То есть Дирак открыл новую частицу, посмотрев не в микроскоп, а на выведенное им самим уравнение? — удивилась Галатея.
— Да. Более того, уравнение Дирака открыло новую картину мира, где каждая элементарная частица имеет свою античастицу, при соприкосновении с которой она аннигилирует. Обратное тоже верно: если приложить достаточное количество энергии, то из моря Дирака родится пара из обычной частицы и её античастицы. Проще говоря, Дирак удвоил число частиц в нашем мире, фактически открыл мир-двойник из античастиц.
— Значит, во Вселенной есть античастицы, антиатомы и антипланеты, на одной из которых живёт анти-Галатея? — с восторгом воскликнула Галатея, которая уже стала прикидывать, как ей написать электронное, вернее, позитронное письмо своему антиподу.
— Античастицы есть, антиатомы тоже. А вот с антимирами и антидевочками — проблема. Астрономы не нашли во Вселенной миры, состоящие из антивещества! Редкий случай, когда законы микромира вроде бы диктуют симметричность рождения частиц и античастиц, а в космосе наблюдается резкая асимметрия в пользу обычного вещества. Теоретики пришли к выводу, что вероятность рождения античастиц немного меньше вероятности рождения обычных частиц. Поэтому в процессе эволюции во Вселенной появился избыток обычного вещества и именно из него сформировались звёзды, планеты и девочки.
В картине мира по Дираку утратила своё значение концепция элементарности частиц. Поиск самых маленьких и неделимых частичек материи стал бессмысленным. Гейзенберг писал: «Единственными процессами, в которых можно было бы ожидать расщепления элементарных частиц, являлись их столкновения при очень высоких энергиях… эксперименты показали, что при соударении двух частиц высокой энергии действительно может появиться множество других частиц; однако они совсем не обязательно являются более мелкими, чем частицы сталкивающиеся. Наоборот, оказывается, что независимо от природы последних рождаются частицы всегда одних и тех же типов. Более точно это явление можно описать следующими словами: большая кинетическая энергия соударяющихся частиц превращается в вещество, в появляющиеся частицы (“множественное рождение частиц”)».
По мнению Гейзенберга, парадоксальная ситуация, с которой столкнулись физики, очень хорошо описывается известной формулой: каждая элементарная частица состоит из всех других частиц. Гейзенберг особо отмечал роль Дирака в формировании нового взгляда на элементарные частицы: «Одной из главных причин, благодаря которой в физике элементарных частиц возникла эта новая ситуация, является возможность порождения пар, то есть существование античастиц и антиматерии».
— Через год после открытия позитрона, в 1933-м, Дирак получил Нобелевскую премию. У него появились ученики, но, даже став преподавателем, он оставался молчаливым. Американский физик Виктор Фредерик Вайскопф писал по этому поводу: «П. Дирак был великим человеком, но малополезным для любого студента. Беседовать с ним было нельзя, а если вы и разговаривали с ним, он только слушал и говорил — да. С точки зрения студента, разговоры с П. Дираком были потерянным временем». В Кембридже даже придумали шуточную единицу измерения неразговорчивости — «дирак»: один дирак равнялся одному слову в час.
Поль Дирак любил точность в выражениях. Его ученики вспоминали, как однажды после лекции он обратился к аудитории: «Вопросы есть?» — «Я не понимаю, как вы получили это выражение», — сказал один из присутствовавших. «Это утверждение, а не вопрос, — ответил Дирак. — Вопросы есть?».
Выдающийся физик читал лекции в разных странах, написал и опубликовал несколько книг по теории относительности, квантовой механике и квантовой теории поля. Книга Дирака «Принципы квантовой механики» стала учебником для нескольких поколений физиков. В этом смысле он оказался великим педагогом.
В конце жизни Дирак обосновался во Флоридском университете в Таллахасси, где прожил пятнадцать лет, занимаясь написанием книг и читая лекции. У него было много почётных наград, но важнее то, что несколько наград были учреждены в его честь.
О значении Дирака для мировой науки написал пакистанский физик Абдус Салам: «Поль Адриен Морис Дирак, без сомнения, один из величайших физиков этого, да и любого другого столетия. В течение трёх решающих лет — 1925, 1926 и 1927 — своими тремя работами он заложил основы, во-первых, квантовой физики в целом, во-вторых, квантовой теории поля и, в-третьих, теории элементарных частиц… Ни один человек, за исключением Эйнштейна, не оказал столь определяющего влияния за столь короткий период времени на развитие физики в этом столетии».
***
Нейтрон — тяжёлая элементарная частица, не имеющая заряда. Нейтроны вместе с протонами являются главными компонентами атомных ядер.
Спин — квантовая характеристика элементарной частицы, отражающая её собственный угловой момент (аналогично угловому моменту частицы, вращающейся вокруг своего центра).
Позитрон — античастица электрона. Обладает такой же массой и той же величиной электрического заряда, только положительного, а не отрицательного.
Релятивистское уравнение — физическое уравнение, применимое для скоростей, близких к скорости света, и согласующееся со специальной теорией относительности Эйнштейна.
***
Поль Дирак (1902—1984) — английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года.
Артур Эддингтон (1882—1944) — английский физик-теоретик и астроном. Экспериментально подтвердил теорию гравитации Эйнштейна, измерив отклонение света звезды возле диска Солнца во время полного солнечного затмения в Западной Африке. Автор знаменитой монографии «Теория относительности».
Ральф Фаулер (1889—1944) — английский физик-теоретик, профессор Кембриджского университета. Учитель Нобелевских лауреатов П. Дирака, Н. Мотта, С. Чандрасекара и других выдающихся физиков. Близкий друг Э. Резерфорда, был женат на его единственной дочери Эйлин Мэри.
Карл Андерсон (1905—1991) — американский физик, открыватель новой элементарной частицы позитрона — античастицы электрона, за что в 1936 году получил Нобелевскую премию по физике.
Абдус Салам (1926—1996) — пакистанский физик-теоретик. Лауреат Нобелевской премии по физике «За вклад в единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий» 1979 года.
0
210.00
