Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

ПЕРВЫЕ ШАГИ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

Второй революцией в области физики, имевшей еще более серьезные последствия, нежели теория относительности, стало рождение квантового мира. Квантовая теория позволила объяснить поведение субатомного мира. Применение законов механики и электромагнетизма к таким системам было невозможно, все расчеты полностью опровергались результатами опытов.

ТРИ ПОРАЗИТЕЛЬНЫХ ОТКРЫТИЯ

В конце XIX века произошли три поразительных и неожиданных открытия; пришлось ждать многие годы, прежде чем удалось понять и объяснить их благодаря рождению и развитию квантовой теории. Эти открытия ознаменовали начало новой эры в физике, называемой с тех пор «современной физикой». Первым из них стало открытие в 1895 году икс-излучения немецким ученым Вильгельмом Рентгеном (1845-1923), которое было способно проходить сквозь предметы и позволяло получать изображение костей. Открытие вызвало большой энтузиазм, и Х-лучи стали использовать, не поняв их природы. В следующем 1896 году французский физик Анри Беккерель (1852-1908) случайно открыл новый тип излучения — радиоактивное излучение, понимание которого требовало глубоких знаний о внутренней структуре вещества. Наконец, в 1898 году британец Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл электроны, носители электрического заряда и главные составляющие вещества. Три данных открытия, вместе с многолетними исследованиями Макса Планка (1858-1947) излучения черного тела, стали почвой, на которой взросла несколькими годами позже новая революционная квантовая теория.

Первая рентгенограмма, сделанная Рентгеном. Снимок руки его жены.

Годом рождения квантовой теории принято считать 1900 год: именно тогда Макс Планк опубликовал статью об излучении абсолютно черного тела. Классическая теория излучения не позволяла объяснить результаты экспериментов при высоких частотах. Планк смог дать приемлемое объяснение результатам опытов с помощью следующей гипотезы:

«Излучение испускается или поглощается целыми кратными числами некоторого ограниченного количества энергии — квантами».

Его объяснение, которое с трудом допускал и сам Планк, означало новый взгляд по сравнению с предшествующими теориями. Впервые допускалось, что излучение (или, другими словами, энергия) может просто периодически выпускаться или поглощаться. Несколько лет спустя, в 1905 году, Эйнштейн распространил гипотезу Планка на все виды энергии и все процессы вообще и смог объяснить фотоэлектрический эффект. Именно поэтому мы можем наблюдать высвобождение электронов, когда воздействуем излучением на определенные вещества. Это испускание (или отсутствие) зависит, однако, не от интенсивности применяемого излучения, как в классической теории, но от его частоты. Согласно гипотезе Эйнштейна свет состоит из частиц определенной энергии, называемых «фотонами» (кванты Планка). Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году за свои работы в этой области.

Несмотря на простое объяснение Эйнштейна, его гипотеза означала возврат к корпускулярной теории света. Казалось, это противоречит волновой теории, которая была широко распространена. Как объяснить интерференцию света с помощью корпускулярной теории? В то время в данном вопросе царила путаница, и в этом смысле понятно утверждение американского физика Роберта Э. Милликена (1868-1953) по поводу объяснения Эйнштейном фотоэлектрического эффекта:

«Я посвятил десять лет своей жизни проверке теории Эйнштейна. Вопреки моим ожиданиям, в 1915 году я вынужден был однозначно признать ее справедливость, хотя казалось, что она противоречит всем известным свойствам интерференции света».

Открытие электрона Томсоном в 1898 году сразу же вызвало следующий вопрос: из чего состоят атомы? Их нейтральность вынуждала предположить существование внутри каждого атома равного числа положительных частиц и электронов (с отрицательным зарядом), которые уравновешиваются. На вопрос о структуре атома смог ответить Эрнест Резерфорд (1871-1937) благодаря своим знаменитым опытам по рассеянию альфа-частиц, осуществленным в 1911-1912 годах. Эти опыты были основаны на радиоактивности, открытой Беккерелем.

Анализ результатов экспериментов приводил к очевидному, но поразительному выводу: практически вся масса атомов сосредоточена в центре, и размер этого пространства в 10⁵ раз меньше размера самого атома. Так родилось понятие атомного ядра, содержащего все положительные заряды (протоны), уравновешивающие отрицательный заряд электронов. Сами же электроны находятся на орбите вокруг атомного ядра. Однако такая «планетарная» модель представляла одну важную проблему: она не позволяла объяснить стабильность атомов. Каждая заряженная частица в круговом движении испускает энергию. Следовательно, электроны на орбите должны были бы постепенно приближаться к ядру и в итоге исчезать. Но в природе этого не происходило.

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) предложил первое решение этой проблемы, разработав квантовую модель атома. Она опиралась на два следующих постулата.

1. Электрон находится только на «стационарных» орбитах, каждой из которых соответствует определенная энергия и на которых он не излучает электромагнитных волн.

2. Энергия, выделяемая при переходе с одной стационарной орбиты на другую, определяется формулой = где А — постоянная Планка, выведенная в 1900 году, а V — частота излучения.

Первый постулат позволял объяснить стабильность атомов, второй объяснял фотоэлектрический эффект. Модель Бора, приложенная к самому простому атому (водорода), смогла объяснить и прекрасно воспроизвести его энергетический спектр. Кстати, она представляла собой первое применение только что появившейся квантовой теории к структуре вещества. Эту модель ждал бесспорный успех, несмотря на значительные лакуны, содержавшиеся в ней. Работы Бора ознаменовали первый этап квантовой теории. Его постулаты были основополагающими, ибо позволяли объяснить некоторые явления атомного мира. Однако многие результаты опытов в то время оставались необъяснимыми, и ни модель Бора, ни изменения, которые внес в нее немецкий физик Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), не позволяли найти ответы на многие вопросы. Физика зашла в тупик, нужны были молодые и блестящие ученые, которые осмелились бы предложить новое видение природного мира, совершенно иное и даже противоречившее здравому смыслу.

УНИВЕРСИТЕТ БРИСТОЛЯ

Поль Дирак начал обучение инженерному делу в университете Бристоля. Казалось, склонность к математике явно указывала на то, что именно с математикой и связана его судьба, однако нехватка инициативы и особенно давление отца заставили его последовать по пути старшего брата. Три года обучения на инженерном факультете университета были сконцентрированы главным образом на изучении прикладных дисциплин: анализ вещества, токи, электрические устройства, электромагнитные волны и так далее. Эти предметы позволили Дираку получить глубокие знания в области математики и естественных наук, однако программа инженерного факультета не предусматривала изучение новых теорий физики (теории относительности или только что появившейся квантовой теории).

В 1919 году, когда Дирак был на втором курсе обучения, одно событие оказало сильное влияние на его дальнейшую карьеру. Некоторые газеты опубликовали 7 ноября результаты, полученные британской научной экспедицией под руководством астрономов Фрэнка У. Дайсона и Артура С. Эддингтона в Бразилии и на африканском острове Принсипи. Во время солнечного затмения ученые специально исследовали положение на небе одной звезды. Анализируя полученные результаты, они обнаружили, что те не соответствуют законам механики Ньютона, но прекрасно вписываются в общую теорию относительности Эйнштейна, согласно которой свет, излучаемый звездой, должен отклоняться из-за гравитационного поля Солнца таким образом, чтобы казалось, будто звезда смещена.