Сказка о молчаливом Поле Дираке, открывшем мир античастиц

Ник. Горькавый

Поль Дирак — английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года.

— 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.

 

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки