Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Как бы то ни было, но под руководством Фаулера Дирак начал погружаться в новую квантовую теорию, о которой до сих пор имел лишь поверхностное представление. Он изучал атомные модели, разработанные несколькими годами ранее Бором и Резерфордом. Параллельно молодой человек продолжал углублять собственные знания математики с помощью «Аналитической динамики» Эдмунда Т. Уиттекера (1873-1956), ставшей для него одной из главных книг. В первые годы в Кембридже Дирак посещал также занятия Эддингтона по общей теории относительности и тензорному исчислению и курс Каннингема по электромагнетизму и специальной теории относительности. Даже если изначально исследования Поля были связаны с областью квантовой теории, очарование теории относительности не оставляло его.

Плодотворная научная среда Кембриджа и участие в разных видах деятельности помогли Дираку стать немного менее замкнутым, несмотря на то что он оставался закрытым человеком и поддерживал отношения лишь с немногими из студентов. Томас, один из его товарищей по Кембриджу, описывал Дирака следующим образом:

«Это был неразговорчивый человек. Когда его спрашивали о чем- то, он мог ответить: «О, это очень сложно», а через неделю появлялся с проработанным ответом».

Жизнь Дирака заключалась в работе и исследованиях. Большинство времени, с понедельника по субботу, он проводил в библиотеке, а по воскресеньям совершал длинные прогулки за городом, как всегда в одиночестве, чтобы, по его собственным словам, набраться сил перед новой рабочей неделей. Именно во время таких воскресных прогулок ученого посетили некоторые из самых блестящих его идей.

Усилия Дирака быстро начали приносить плоды. Через шесть месяцев после поступления в Кембридж он опубликовал свою первую статью в журнале «Записки Кембриджского философского общества» (Proceedings of the Cambridge Philosophical Society). В последующие два года также появилось шесть его статей на различные темы.

Я брал общую проблему, которую физика формулировала в нерелятивистской форме, и старался переформулировать ее согласно принципам теории относительности. Это напоминало игру. Иногда результат казался достаточно интересным для публикации.

Поль Дирак

Международное значение его статей было достаточно ограниченным, однако имя Дирака начало распространяться внутри сообщества британских ученых в области теоретической физики. В те же годы Дирак выработал свой стиль работы, которому следовал всю жизнь. Его статьи, созданные большей частью без соавторов и подписанные только его именем, характеризуются краткостью и прямотой изложения, концептуальной ясностью и логичностью. Дирак однажды сказал, что он всегда начинал писать только в том случае, когда в его голове складывалась общая и полная схема всей работы.

Такой системный подход, сильно отличавшийся от используемого другими великими учеными того времени, объясняет, почему Дирак практически никогда не правил свои труды.

Русский физик Игорь Тамм (1895-1971), один из самых близких коллег Поля, вспоминал о разговоре, состоявшемся после прочтения Нильсом Бором черновика одной из статей Дирака.

Датский физик спросил его: «Почему ты исправил лишь несколько мелких ошибок и ничего не добавил в текст? Ты написал его давно — неужели с того времени у тебя не появилось новых идей?» На что Дирак просто ответил: «Мать всегда говорила мне: сначала думай, а потом пиши».

За первые два года в Кембридже Дирак превратился в многообещающего ученого, демонстрирующего блестящие способности к решению проблем физики. Тем временем квантовая теория зашла в тупик. Модель Бора и Зоммерфельда давала результаты, релевантные только для атома водорода, и не могла объяснить результатов многочисленных опытов, полученных в то время. Кроме того, видимое несоответствие заключалось в корпускулярном поведении света, которое позволяло объяснить фотоэлектрический эффект, и его волновом поведении, необходимом для объяснения явления интерференции. Как объединить их? Французский физик Луи де Бройль (1892— 1987) предложил революционное объяснение:

«Подобно тому как фотоны обладают волновыми и корпускулярными свойствами, так, возможно, и любые частицы материи обладают этими характеристиками».

Это свойство вещества известно под названием «корпускулярно-волнового дуализма»; оно означает, что оба поведения не исключают, а дополняют друг друга. Согласно гипотезе Луи де Бройля, такие частицы, как электрон, обладают обоими свойствами: волновым и корпускулярным. Интерференционный спектр, рассматривавшийся только как волновой эффект, должен был также присутствовать и в случае с электроном. Правда, прошли многие годы, прежде чем результаты опытов подтвердили это. Квантовая теория и физика вообще были на пороге самой большой революции в их истории, которая влекла за собой философские идеи, с трудом воспринимаемые в то время.

Для Дирака 1925 год стал особенным. Родилась новая квантовая теория, и весь свой творческий гений и внимание он посвятил ее основополагающим проблемам. В том же году в семье ученого случилась страшная трагедия: его старший брат покончил с собой.

ГЛАВА 2

Квантовая механика

Начиная с 1925 года квантовая механика со своими особенными и такими далекими от классической физики понятиями начала выстраиваться в последовательную теорию, позволяющую объяснить самые разные явления атомного мира. Дирак стал одним из ее творцов. С помощью нового и оригинального подхода он попытался создать солидную математическую основу для этой теории.

В мае 1925 года Нильс Бор посетил Кембридж, где провел большое количество семинаров по вопросам, связанным с квантовой теорией. Датский ученый был в то время самой важной фигурой в этой области физики; он являлся неиссякаемым источником идей и вдохновения для молодых исследователей, занимающихся данной темой. Бор напомнил о проблемах, поставленных квантовой теорией, и о своей неспособности их решить. Он также поделился своей глубокой неудовлетворенностью тем, что приходилось рассматривать свет в одних случаях как нечто, состоящее из частиц, а в других — как волновое явление. Бор был убежден в необходимости совершенно иного подхода, найти который, по его мнению, могли только молодые и блестящие умы.

На Дирака, присутствовавшего на семинарах, личность датского ученого произвела большое впечатление, равно как и сила и убедительность его размышлений — настоящий поток идей, порой довольно трудно усваиваемый. Но Дирак критически относился к тому, как Бор занимался физикой. Его никогда особо не привлекал принцип соответствия датского ученого, поскольку он не был выражен ясным образом в математических формулах. Дирак выказывал некоторую сдержанность в отношении аргументов Бора, утверждая, что они слишком сконцентрированы на размышлениях философского характера и им не хватает солидной математической основы.

Спустя два месяца, в конце июля 1925 года, молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг, который был старше Дирака всего на восемь месяцев, приехал в Кембридж, где провел семинар по атомной спектроскопии в рамках квантовой теории того времени (теории Бора — Зоммерфельда). В Кембридже никто не знал, что Гейзенберг предложил новую формулировку квантовой теории. Его работу еще не опубликовали, и немецкий физик никому не рассказал о ней, за исключением Фаулера в частной беседе. Фаулер попросил его прислать экземпляр статьи сразу же после публикации и, как только получил его, в конце августа, сразу же переслал Дираку с запиской: «Что ты думаешь по этому поводу? Жду твоих комментариев».

Хотя Бор произвел на меня огромное впечатление, его аргументы носили качественный характер. Я же искал аргументов, которые могли быть выражены в виде уравнения. Работа Бора редко выражалась подобным образом.