Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Приведенный выше параграф перекликается с тем, что позднее будет названо «виртуальными частицами» — главным понятием для объяснения взаимодействия между частицами. Кроме того, Дирак не ожидал появления расходящихся интегралов, дающих результат с бесконечным пределом.

Дирак не изменил своей прагматичной позиции и заявил, что подобная «трудность возникает не из-за основополагающей ошибки теории, а из-за приближений, принятых в расчет». Результаты с бесконечными величинами появлялись только в расчете членов высшего порядка (и не появлялись у членов первого порядка), и это означало, что принятые в расчет приближения в описании физической системы не были обоснованными. Дирак был убежден, что более точная теория даст безупречные результаты. Однако, как мы увидим в дальнейшем, проблема бесконечных пределов решений сохранялась еще многие годы и стала самым большим разочарованием его научной карьеры.

«НЕМЕЦКОЕ» ВИДЕНИЕ И КРИТИКА ДИРАКА

Дирак считал частицы главным объектом квантовой теории. Зато Йордан и его немецкие коллеги первичным понятием называли поле. Таким образом, известные частицы проявлялись в процессе квантования соответствующих классических полей.

Участники Сольвеевского конгресса 1933 года. Дирак девятый слева.

Дирак (в центре) с физиками Робертом Оппенгеймером (слева) и Абрахамом Пайсом.

Йордан и его коллеги расширили метод «вторичного квантования» и распространили его не только на электромагнитное поле (как это сделал Дирак), но также на любой вид частиц и поля.

Эти работы о поле, которые Йордан считал своим самым важным открытием в области теоретической физики, заложили основы того, что через несколько лет получило название «квантовой теории поля».

Йордан, Клейн и Вигнер опубликовали множество статей, в которых применяли метод вторичного квантования к частицам с полуцелым спином, таким как электроны и протоны. Дирак критиковал эти статьи:

«Теория Йордана является достаточно искусственной. Для получения предполагаемого результата в ней используется слишком специфический метод квантования поля».

Следующий этап квантовой теории излучения относится к 1929-1930 годам, когда были опубликованы две статьи, написанные Гейзенбергом и Паули. Ученые исходили из теории, разработанной Йорданом, и ставили перед собой более чем амбициозную цель: найти «общую релятивистскую инвариантную формулировку электродинамического взаимодействия частиц». Теория Гейзенберга и Паули вводила единое описание электромагнитного поля и полей, соответствующих электрону и протону, используя только что появившееся уравнение Дирака.

Однако по поводу новой теории было много споров: они возникали из-за расхождений, появляющихся в расчетах собственной энергии заряженных частиц (энергии, приобретенной частицами при взаимодействии с электрическим полем, которое они сами производят). Йордан критиковал статью Гейзенберга и Паули, утверждая, что она не вносит почти ничего нового по сравнению с их предыдущими работами, и выказывал пессимистичное отношение по поводу результатов с бесконечными пределами, возникающих при использовании этой теории:

«Собственная энергия электрона является беспредельной, и, следовательно, она представляет такую трудность, что дальнейшая работа с ней невозможна».

РИЧАРД ФЕЙНМАН И ЛАГРАНЖЕВ ФОРМАЛИЗМ ДИРАКА

В 1933 году Дирак применил «лагранжев формализм», широко используемый в классической механике, к квантовому миру. Он объяснил свой подход тем, что метод Лагранжа в некоторых аспектах оказывается более фундаментальным, нежели анализ, основанный на использовании гамильтониана.

Уравнения движения можно получить напрямую из принципа наименьшего действия.

Впрочем, лагранжиан может быть легко выражен в релятивистской форме. Статья Дирака «Лагранжиан в квантовой механике»была опубликована в советском журнале и осталась без внимания, пока Ричард Фейнман не открыл ее заново в 1941 году, во время работы над диссертацией. Работы Дирака стали откровением для американского физика. На их основе он развил новую формулировку квантовой механики — «формулировку через интеграл по траекториям». Фейнман считал Дирака одним из самых проницательных и блестящих физиков и искренне восхищался им (даже когда Дирак стал крайне отрицательно относиться к квантовой электродинамике). Вигнер говорил, что Фейнмана можно считать «вторым Дираком, но на этот раз человеком».

Ричард Фейнман (справа) в разгар беседы с Дираком.

Йордан не смог справиться с чувством неудовлетворенности и скоро оставил изучение взаимодействия излучения и вещества. Через несколько лет он оставил и физику. Дирак тоже критиковал работы Гейзенберга и Паули, замечая:

«В теории наличествует столько приближений, что все аспекты, вытекающие из специальной теории относительности, исчезают. Результаты, указанные в статье, могли быть получены с помощью гораздо более простой нерелятивистской теории».

В 1932 году Дирак опубликовал две статьи, в которых более ясно излагал свои возражения против теории Гейзенберга и Паули. Первая статья, которую он написал один, называлась «Релятивистская квантовая механика». В ней ученый критиковал использованный Гейзенбергом и Паули метод и замечал:

«Если мы хотим пронаблюдать систему взаимодействующих частиц, единственным действенным методом будет подвергнуть эти частицы воздействию электромагнитного поля и посмотреть, как они себя поведут. То есть поле является только средством для осуществления наблюдений. Истинная природа наблюдения предполагает тесную связь между полем и частицами. Таким образом, мы не можем рассматривать поле как динамическую систему, сходную с системой частиц, как это происходит в статье Гейзенберга и Паули».

Вторая статья 1932 года, написанная в соавторстве с Владимиром Фоком (1898-1974) и Борисом Подольским (1896— 1966), называлась «О квантовой электродинамике». Три физика расширили предыдущую теорию и представили релятивистскую инвариантную формулировку основополагающих уравнений квантовой электродинамики. Они также показали эквивалентность этой теории и теории, разработанной Гейзенбергом и Паули.

Немецкие физики очень критично восприняли первую статью Дирака. Комментарии Паули были крайне резкими:

«Я не желаю злопыхательствовать, но его новая статья далека от того, чтобы быть шедевром. После крайне путаного и беспорядочного введения, полного едва понятных фраз, он заканчивает одномерным, весьма упрощенным примером, результаты которого совпадают с результатами, полученными с помощью теории Гейзенберга и моей несколькими годами ранее».

Зато вторая статья (написанная вместе с Фоком и Подольским) была положительно принята Паули, отметившим «математическую элегантность, использованную авторами для релятивистской инвариантной формулировки теории».

Настоящее значение двух статей Дирака было осознано гораздо позднее, в 1940-х годах, когда именно этими работами вдохновились два основателя современной квантовой электродинамики: японский физик Синъитиро Томонага (1906-1979), который отзывался о первой статье Дирака следующими словами: «Она привлекла мое внимание новизной своей философии и красотой своей формы», и американский физик Джулиан Швингер (1918-1994), с юных лет интересовавшийся результатами и формулировкой статьи Дирака, Фока и Подольского. Дирак также оказал заметное влияние на третьего основателя современной квантовой электродинамики, американского физика Ричарда Фейнмана.