Текст книги "Темная сторона материи. Дирак. Антивещество"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 8 страниц)

Annotation

Поль Дирак, как и Ричард Фейнман, – один из главных представителей «второго поколения» ученых, обратившихся к квантовой механике после первопроходческих работ Планка и Эйнштейна. Знаменитое уравнение, носящее имя Дирака и детально описывающее поведение некоторых частиц, в том числе электрона, впервые объединило теорию относительности и квантовую теорию. Уравнение Дирака доказало возможность существования «антиподов» известных на тот момент частиц – электрона, протона и других. Открытые новые частицы известны нам как антивещество. Молчаливый и замкнутый, скромный и всецело увлеченный своей работой, этот английский инженер стал ученым, который разработал одну из самых передовых теорий современной физики.

Juan Antonio Caballero Carretero

Введение

ГЛАВА 1

ГЛАВА 2

ГЛАВА З

ГЛАВА 4

ГЛАВА 5

Список рекомендуемой литературы

Указатель

Juan Antonio Caballero Carretero

Наука. Величайшие теории: выпуск 32: Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Наука. Величайшие теории: выпуск 32: Темная сторона материи. Дирак. Антивещество. / Пер. с франц. – М.: Де Агостини, 2015. – 160 с.

ISSN 2409-0069

©Juan Antonio Caballero Carretero, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2014

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Введение

В Вестминстерском аббатстве 13 ноября 1995 года была установлена скромная мемориальная доска в честь Поля Адриена Мориса Дирака. На ней можно увидеть лишь дату рождения и смерти, имя, слово «физик» и короткое уравнение: его релятивистское уравнение электрона. Простота доски прекрасно отражает личность Дирака, который избегал света прожекторов и не любил показываться на публике. В отличие от других выдающихся физиков своего времени, Поль Дирак занимался только академической работой и не принимал участия в иной общественной деятельности. Под конец жизни, когда его имя уже гремело в научном мире, он не мечтал о публикации общих популяризаторских трудов, рассказывающих о его философских идеях и отношениях с коллегами. Дирак полностью посвятил себя научной работе и тщательно скрывал свою частную жизнь. Желая избежать всякой публичности, он даже сначала отказался от Нобелевской премии, а согласился принять ее лишь после слов Резерфорда о том, что его отказ вызовет еще больший резонанс.

Особенности характера Поля Дирака во многом объясняют то, почему широкая публика так мало о нем знает. Смерть ученого 20 октября 1984 года в Таллахасси (Флорида) была удостоена лишь краткого сообщения в The Times. Тем не менее научное сообщество считает Дирака одним из самых блестящих и значительных физиков в истории этой науки. Наряду с Ньютоном и Максвеллом он является одним из трех самых выдающихся физиков Соединенного Королевства. Может показаться удивительным, что после его смерти прошло целых 11 лет, прежде чем ему воздали национальные почести и установили мемориальную доску рядом с могилой Исаака Ньютона. В тот день Стивен Хокинг, открывая церемонию, произнес: «Дирак, наверное, более чем кто-либо, за исключением Эйнштейна, способствовал развитию физики и радикальному изменению нашего видения Вселенной в этом веке. Бесспорно, он заслуживает чести быть увековеченным в Вестминстерском аббатстве. Даже возмутительно, что этого момента пришлось ждать так долго».

В конце XIX века физика опиралась на два столпа – механику Ньютона и электромагнетизм Максвелла. Эти две великие теории позволяли объяснить практически все природные явления. Нетрудно представить себе настроения, царившие в среде физиков того времени: все казалось познанным, и роль ученых заключалась лишь в осуществлении специальных расчетов для решения конкретных проблем или же в проведении более детальных опытов в рамках существующих теорий. Физика не казалась притягательной областью исследований для молодых студентов, избравших научную стезю. Но такая картина омрачалась двумя «крошечными» проблемами, которые лорд Кельвин называл «облачками». Кто бы мог подумать тогда, что «облачка» разразятся самой сильной грозой из всех, что когда-либо видело человечество? Из противоречий между теорией Ньютона и теорией Максвелла родилась теория относительности; а излучение абсолютно черного тела, которое давно не давало покоя ученым, привело к рождению квантовой физики. Эти теории возникли в XX веке и произвели революцию. Если теория относительности стала плодом труда одного ученого – Альберта Эйнштейна, – то квантовая теория потребовала работы и совместных усилий самых блестящих умов того времени, среди которых был и Дирак.

Первые годы жизни Дирака совпали с этими серьезными переменами в мире физики. В 1900-м, за два года до его рождения, Планк представил свои работы по изучению излучения абсолютно черного тела, ознаменовавшие рождение квантовой физики. А Эйнштейн, помимо прочего, опубликовал в 1905 году свою специальную теорию относительности и смог объяснить фотоэлектрический эффект. Через десять лет, когда Дираку едва исполнилось 13, появилась на свет общая теория относительности. Молодой человек следил за этими изменениями – особенно за теми, что были связаны с теорией относительности,– с огромным интересом, но исключительно по собственной инициативе. Несмотря на врожденные способности к математике, во время учебы Дирака на инженерном факультете трудно было представить, что однажды он сыграет столь важную роль в области физики. Как часто случается, неожиданные перемены открыли для Поля новые перспективы и перевернули его судьбу. Глубокий экономический кризис, наступивший в Англии после Первой мировой войны, не позволил ему найти работу в качестве инженера; таким образом, Дирак закончил изучение математики в университете Бристоля и отправился в Кембридж, чтобы заняться физикой.

В 1923 году, вскоре после прибытия Дирака в Кембридж, в его жизни произошел еще один поворот. Будущий ученый был очарован общей теорией относительности, которую глубоко изучил во время университетских лет в Бристоле. Это подтверждает и его собственное замечание, сделанное годы спустя: «Если бы Эйнштейн не опубликовал в 1905 году специальную теорию относительности, это скоро сделал бы кто– нибудь другой. Зато все было совсем иначе с общей теорией относительности. Возможно, без Эйнштейна мы и сегодня еще только ждали бы ее». Однако Дирак не смог осуществить свое желание и заняться углубленным изучением данной теории: профессор Эбенезер Каннингхэм, руководивший исследованиями, решил не брать студентов. Дираку назначили другого руководителя – Ральфа Фаулера, который специализировался в только что появившейся квантовой теории. Дирак окунулся в странный квантовый мир, по его собственным словам, практически незнакомый ему. Полю понадобилось два года работы и усердных занятий, чтобы подготовиться к уже намечающимся потрясениям в области физики.

Важное событие, определившее научную карьеру Дирака, произошло в 1925 году, после его ознакомления с трудами Вернера Гейзенберга. Работы последнего на самом деле послужили толчком для построения новой квантовой теории, названной «квантовой механикой». Они оказали заметное влияние на Дирака и пробудили его творческий гений. Дирак в то время начал публиковать свои первые статьи и стал одним из основателей новой теории. В Кембридже он трудился в одиночестве, осуществляя исследования автономно и даже почти втайне. Свой подход к изучению проблемы он описывал так: «Большая часть моей работы в те годы заключалась в игре с уравнениями и наблюдением за тем, куда приведет меня эта игра». Результат оказался невероятным. Макс Борн описал его очень красноречиво: «Это было одно из самых больших потрясений за всю мою научную карьеру. Имя Дирака мне было совершенно незнакомо. Автор был очень молод, однако все в его подходе было прекрасным. Это было восхитительно». Такую почти болезненную склонность к секретности Дирак сохранил на всю жизнь. Когда он разрабатывал релятивистскую теорию электрона – одно из самых важных своих открытий, – даже его самые близкие коллеги по Кембриджу узнали о ней только из опубликованной статьи. Во время работы ученый не обмолвился о ней ни словом и не дал возможности даже предположить, что именно является предметом его изучения.

Период с 1925 по 1933 год известен как «героический» в жизни Дирака. Благодаря своей научной деятельности он стал одним из крупнейших физиков в истории. Всего за восемь лет из совершенно неизвестного ученого Дирак превратился в лауреата Нобелевской премии. Слава не изменила его привычек, он остался таким же отстраненным и недоступным – как для широкой публики, так и для своих студентов и коллег. За исключением физики и двух своих серьезных увлечений – путешествий и прогулок в горах, – Дирак не выказывал никакого интереса к любой другой деятельности или области знания. Его жизнь вращалась вокруг работы и научных публикаций; написание его биографии, таким образом, сводится по большей части к комментированию трудов ученого. Это и есть главная цель данной книги. В следующих главах мы представим и объясним ключевые научные открытия Дирака. Однако для лучшего понимания работы Дирака нужно знать и основные события его жизни.

Работы ученого во время его «героического периода» окончательно изменили физику того времени и заложили основы для будущего развития теоретической физики. На самом деле практически невозможно понять современную физику без учета вклада Дирака. Какими были его главные научные свершения и почему они считаются настолько важными? Дирак является одним из основателей квантовой физики. Независимо от немецких коллег он разработал новый формализм квантовой теории – «квантовую алгебру». Дирак придал квантовой теории самую строгую и универсальную математическую форму – «самое прекрасное представление квантовой механики», по словам Эйнштейна. Его теория преобразований включает три знаменитых формализма квантовой теории: матричную механику, волновую механику и квантовую алгебру. Квантовая теория благодаря Дираку получила единый и последовательный подход, а также физическую интерпретацию волновой функции. Таким образом, Дирак ввел в обиход представления и понятия, которые являются частью используемого сегодня языка любого текста по квантовой механике. Каждый студент, изучающий физику, должен знать «обозначения Дирака», или «обозначения бра и кет» и свойства функции (функции Дирака), прежде чем приступить к квантовой теории.

Самыми большими открытиями британского ученого, поразившими его коллег, стали, наверное, выведение квантового релятивистского уравнения электрона и теория взаимодействия излучения и вещества. Впрочем, оба эти открытия взаимосвязаны. Приложение релятивистской теории к квантовому миру ясно показывает, в чем заключается главная проблема: количество частиц не сохраняется. Принцип неопределенности Гейзенберга и принцип эквивалентности массы и энергии допускают существование процессов, во время которых частицы постоянно рождаются и разрушаются. Даже если это явление присутствовало в релятивистском уравнении электрона, Дираку понадобилось несколько лет для того, чтобы полностью осознать его. Вместе с уравнением Дирака появился мир античастиц, а вместе с ним возник способ объяснения и описания взаимодействия излучения с веществом. Сегодня стандартная модель считается актуальной «парадигмой» физики. Квантовая теория поля стала концептуальной и математической основой, позволяющей нам описать поведение природы, начиная с ее основополагающих составляющих. Огромный вклад Дирака в физику заключается в том, что он заложил фундамент и ввел в обиход главные понятия, которые позволили развить квантовую теорию поля и теорию элементарных частиц.

Связь квантового релятивистского уравнения электрона и квантовой теории излучения породила квантовую электродинамику – теорию, объясняющую поведение электронов и антиэлектронов и то, как они взаимодействуют со светом и между собой. Дирак указал физике направление развития. Он первым заговорил о взаимодействии частиц как о процессе обмена фотонами, первым сослался на понятия эффективной массы и эффективного заряда, равно как и на метод перенормировки. Работы, осуществленные им в «героический период», составляют основу квантовой теории излучения. Они послужили источником вдохновения для многих физиков, которые спустя 20 лет развили его идеи в «новую» квантовую электродинамику. Эта физическая теория остается одной из самых точных вплоть до наших дней. Именно квантовая теория поля стала великим наследием Дирака и одновременно, как мы увидим, его самым большим разочарованием.

В книге «Великие физики», написанной Уильямом Кроппером, собраны биографии некоторых важнейших представителей этой науки. Каждому жизнеописанию предшествует одна простая фраза, заключающая в себе основное качество или главную характеристику личности. Фраза перед биографией Дирака представляет собой одно-единственное уравнение (оно же воспроизведено и на мемориальной доске в Вестминстерском аббатстве). Редко случается такое отождествление физика и уравнения, исключение представляет собой лишь Эйнштейн и его знаменитое соотношение энергии и массы. Но глобальная разница заключается в том, что все знают формулу Эйнштейна, тогда как уравнение Дирака никому не известно – как того всегда и хотел Дирак. Речь идет о формально простом и лаконичном уравнении: (i·-М) = 0. Однако оно заключает в себе неожиданное открытие – антивещество, и объяснение решений уравнения Дирака привело к настоящей революции.

1902 Поль Адриен Морис, сын Шарля Адриена Л. Дирака, швейцарского эмигранта и преподавателя французского, родился в Бристоле (Англия) 8 августа.

1918 Начинает учебу на инженерном факультете в университете Бристоля и в 1921 году получает диплом.

1921 Изучает прикладную математику в университете Бристоля.

1923 Поступает в университет Кембриджа со стипендией Отдела научных и промышленных исследований. Начинает изучать квантовую теорию под руководством Ральфа Фаулера.

1925 Знакомство с работами Гейзенберга знаменует поворот в жизни Дирака. Начинает публиковать свои исследования в области квантовой механики и становится одним из «основателей» новой теории.

1926 Защита докторской диссертации. Первые поездки в Копенгаген и Геттинген. Публикует свои первые работы, посвященные взаимодействию излучения и вещества.

1928 Публикация статьи Дирака «Квантовая теория электрона» с первым релятивистским квантовым уравнением. Эта невероятно успешная работа порождает одновременно и большую путаницу: что делать с содержащимися в уравнении состояниями отрицательной энергии?

1929 Первые поездки в США и Японию.

1930 Дирак избран членом Королевского общества. Опубликованы его «Принципы квантовой механики», которые становятся основной книгой по этому предмету.

1931 Заявляет о существовании антиэлектрона и магнитного монополя.

1932 Занимает почетную Лукасовскую кафедру математики университета Кембриджа.

1933 Вместе со Шрёдингером получает Нобелевскую премию по физике «за открытие новых продуктивных форм атомной теории».

1937 Женится на Маргит Вигнер, сестре знаменитого теоретика физики Юджина П. Вигнера, матери двоих детей – Джудит и Габриеля. В этом браке родятся еще две девочки – Мари Элизабет и Флоренс Моника.

1939 Получает королевскую медаль Королевского общества. В последующие годы становится членом главных научных академий мира.

1969 Оставляет Лукасовскую кафедру математики университета Кембриджа и переезжает в США.

1972 Назначен профессором университета Таллахасси, Флорида.

1984 Умер 20 октября в Таллахасси, там же и похоронен.

ГЛАВА 1

Первые годы

В конце XIX века в области физики произошла настоящая революция, которой способствовало появление, с одной стороны, теории относительности, содержавшей новую концепцию времени и пространства, и с другой – квантовой теории со странными и поразительными законами. Самые ранние годы Дирака совпали с этими глубокими изменениями.

В первые годы жизни Поля Дирака в физике произошли невероятные события. До этого времени (до конца XIX века) классическая физика опиралась, главным образом, на механику Ньютона и электромагнетизм Максвелла. Однако ей пришлось уступить место «современной физике», которая предлагала новое видение мира, новые понятия и удивительные законы. Потрясения, вызванные теорией относительности и квантовой физикой, были столь глубокими, что затронули все области знания.

Биография ученого разворачивалась параллельно развитию двух этих новых теорий. Поль Адриен Морис Дирак родился 8 августа 1902 года в Бристоле (Англия). Его имя ясно говорит о французских корнях: отец, Шарль Адриен Л. Дирак, появился на свет в 1866 году в городе Монте франкоязычного кантона Вале в Швейцарии. Шарль начал учебу в университете Женевы, потом из-за напряженных отношений с родственниками оставил отчий дом. Он порвал все отношения с семьей, которая долгие годы не получала от него никаких известий. Его родители не узнали ни о его женитьбе, ни о рождении двух первых детей; только в 1905 году Шарль навестил мать в Женеве вместе с женой и двумя сыновьями. Около 1890 года он обосновался в Бристоле, где начал преподавать французский язык.

В 1896 году Шарля взяли на работу в Технический колледж (Merchant Venturers’ Technical College), а через три года он женился на Флоренс Ханне Холтен, уроженке Бристоля. В 1900 году родился их первый ребенок: Реджинальд Шарль Феликс. Через два года появился на свет Поль, а в 1906 году – дочь, Беатрис Изабель Маргерит. Поль получил среднее образование в школе Технического колледжа, который стал частью университета Бристоля в 1906 году.

Уже будучи взрослым, Дирак вспоминал, что поездка в Женеву в 1905 году совпала по времени с кульминацией творческого гения Эйнштейна в Берне, неподалеку от Женевы. В тот год Эйнштейн, используя только что появившуюся квантовую теорию, опубликовал пять статей, среди которых были статьи о специальной теории относительности и объяснение фотоэффекта. Через 23 года Дирак первым из физиков объединил эти две теории.

ОБРАЗОВАНИЕ И ЛИЧНОСТЬ

Шарль Дирак не отказался от своего женевского культурного наследия. В 1919 году он и его дети получили британское гражданство, а до этого сохраняли швейцарское. В его доме говорили, кстати, только по-французски, что являлось обязательным правилом. Авторитарная личность отца и уединенность, навязанная им своей семье, социальная жизнь которой была крайне ограничена, превратили дом Дирака в тюрьму, где не было места праздным разговорам. Это наложило значительный отпечаток на жизнь детей Шарля. В 1962 году Поль Дирак вспоминал:

«В детстве у меня не было никакой социальной жизни. Отец заставлял меня говорить с ним по-французски. Он считал, что это благоприятным образом скажется на моем воспитании. Поскольку я был не способен объясняться по-французски, то предпочитал молчать, нежели говорить по-английски. Именно так я стал очень молчаливым человеком».

По словам Дирака, семейные трапезы выглядели следующим образом: отец и сын сидели за столом в тишине, а мать, которая не говорила по-французски, оставалась на кухне с двумя другими детьми. Мы не знаем причин таких странных отношений, но точно известно, что семья редко собиралась за общим столом (Дирак неоднократно рассказывал об этом).

С самого начала все способствовало тому, чтобы я стал очень замкнутым человеком.

Поль Дирак

На всю жизнь Поль сохранил эту замкнутость и всегда с чрезвычайным трудом выстраивал отношения с окружающими. Товарищи по начальной школе рассказывали о его скрытности и необщительности. Юный Дирак мало с кем разговаривал и избегал игр, в том числе и спортивных. Его внимание было сосредоточено на собственном внутреннем мире, а также на изучении природы и математики, которая стала центром его жизни. Детство Поля, в частности его отношения с отцом, наложили неизгладимый отпечаток на всю дальнейшую судьбу ученого. Замкнутость и скрытность превратили Дирака в тяжелого человека, который порой мог демонстрировать полное отсутствие интереса к окружающим и даже нехватку такта.

В 1914 году, в начале Первой мировой войны, Поль Дирак получал среднее образование в Техническом колледже, где его отец преподавал французский. Некоторые воспоминания студентов того времени свидетельствуют о педантизме и строгости отца Дирака, который часто прибегал к наказаниям во имя дисциплины. Образование в колледже концентрировалось в основном на науках, современных языках и практических предметах. Гуманитарных дисциплин было очень мало.

С самого начала обучения Дирак продемонстрировал врожденный талант к наукам, особенно к математике. Он также интересовался техническим рисунком и геометрическим изображением трехмерных фигур. Гораздо позже он объяснял, что именно способность представлять проблемы геометрически позволила ему развить некоторые из самых важных его идей. Дирак быстро стал одним из самых блестящих учеников колледжа и достиг гораздо более продвинутого уровня в изучении математики и химии, нежели другие студенты его возраста. Отец и учителя Поля с самого начала поняли, что молодой человек интересуется наукой, обладает огромной работоспособностью и вниманием. Разумеется, это открытие привело к еще большему ужесточению и без того строгого режима, который Шарль Дирак навязал своему сыну в те годы, что лишь усилило его одиночество и замкнутость.

Поль Дирак посвятил себя исключительно науке и совершенно не интересовался другими областями знания, такими как литература или музыка. В то же самое время его школьные успехи, трудности в общении и отсутствие интереса к проблемам и чувствам других со временем сказались на его отношениях с братом, сошедших практически на нет.

В 1918 году Дирак получил аттестат о среднем образовании с самыми высокими оценками, но у него не было никакого представления о том, чем он хочет заниматься в жизни. Несмотря на математические таланты, Поль последовал примеру старшего брата, которого отец заставил получать инженерное образование в университете Бристоля вопреки его интересу к медицине.

КЛАССИЧЕСКАЯ И СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

В конце XIX века физика считалась прекрасно структурированной наукой, способной описать мир. Механика Ньютона объясняла движение тел; теория электромагнетизма Максвелла позволяла точно объяснить электрические и магнетические явления; развитие атомной теории и статистической механики, равно как и применение этих теорий в области термодинамики, дали химии, науке XX века, осуществить необычайный прорыв. В связи с этим легко можно понять слова лорда Кельвина: «В физике нечего открывать, можно лишь осуществлять все более точные измерения».

Уильям Томсон (лорд Кельвин), 1906 год.

Новые вызовы

И тем не менее ученые прекрасно осознавали, что оставалось два не проясненных вопроса. Первый был связан с некоторыми противоречиями между механикой и электромагнетизмом; второй вытекал из невозможности объяснения с помощью существовавших теорий «излучения черного тела». Первый вопрос привел к появлению теории относительности Эйнштейна – с новой концепцией пространства и времени и принципом эквивалентности массы и энергии. Второй вызвал появление и развитие квантовой теории с ее странными законами. Изменения были столь существенными, что затронули все области знания. Физика до конца XIX века называется классической, а в XX столетии началась эра «современной физики».

Альберт Эйнштейн во время конференции в Вене, 1921 год.

МЕХАНИКА ПРОТИВ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА

Чтобы понять научные труды и открытия Дирака, надо хорошо понимать контекст физики во времена, когда он был студентом: в ней происходила настоящая революция вместе с расцветом новых теорий, радикально менявших преобладавшее до этих пор видение природы.

Галилей и Ньютон сформулировали законы, позволявшие объяснить движение тел. Одним из главных понятий этих теорий была «система отсчета», в рамках которой рассматривалось движение одного или нескольких тел. До XVI века считалось, что Земля как особая система отсчета находится в состоянии абсолютного покоя. Галилей (1564-1642) первым заявил, что никакой особой системы отсчета не существует. Кстати, одним из основных принципов физики был «принцип относительности» Галилея – Ньютона, согласно которому все законы физики (механики) одинаковы для всех инерциальных систем – систем отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Преобразования, позволяющие описать положения тел в разных инерциальных системах, называются «преобразованиями Галилея». Время во всех таких системах отсчета являлось абсолютным, то есть одинаковым для всех наблюдателей.

К середине XIX века британский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) разработал свою теорию электромагнетизма. Ее основу составляли четыре уравнения, называемых «уравнениями Максвелла». В них учитывалась скорость света. Следовательно, возникал вопрос: в какой системе отсчета рассматривать скорость света? Согласно принципу относительности Галилея – Ньютона скорость зависит от выбранной системы отсчета. Однако изменение скорости света, в свою очередь, меняет уравнения Максвелла. Другими словами, законы электромагнетизма меняются, когда сталкиваются с преобразованиями Галилея. И это очевидным образом свидетельствует о том, что законы электромагнетизма и механики противоречат друг другу.

К XX веку все физики были убеждены: свет, как и любое другое волновое явление, для распространения нуждается в материальной среде, которая была названа «эфиром». Предполагалось, что он заполняет собой все пространство. Таким образом, эфир составлял особую систему отсчета (абсолютную), что противоречило принципу относительности Галилея. Главной задачей стало измерить скорость света по отношению к эфиру, именно это являлось целью опыта, осуществленного Альбертом А. Майкельсоном (1852-1931) и Эдвардом Морли (1838-1923) в 1887 году. Их опыт показал, что измеряемая скорость света всегда одинаковая, каким бы ни было ее направление в пространстве. Объяснения данного факта давались очень разные, и все они были связаны с возможными изменениями уравнений электромагнетизма. На самом деле большинство ученых оставались убеждены в релевантности уравнений Ньютона и преобразований Галилея – до тех пор, пока специальная теория относительности полностью не перевернула подход к проблеме и ее решению.

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Альберт Эйнштейн (1879-1955) полагал, что противоречия между электромагнетизмом и механикой вытекают из законов Ньютона. Он отказался от идеи эфира и возможного существования абсолютной системы отсчета. Эйнштейн разработал теорию относительности, исходя из двух основополагающих постулатов.

1. Принцип относительности. Все законы физики одинаковы для всех инерциальных систем отсчета.

2. Принцип постоянности скорости света. Скорость света в вакууме всегда одинакова, независимо от рассматриваемой инерциальной системы отсчета.

Первый постулат представляет собой обобщенный принцип Галилея – Ньютона и демонстрирует невозможность различать инерциальные системы. Второй постулат гораздо более странный, он очевидным образом противоречит преобразованиям Галилея, согласно которым скорость предмета зависит от системы отсчета, в которой эта скорость измеряется. Как это возможно, чтобы наблюдатели, двигающиеся по отношению друг к другу, видели одно и то же световое мерцание, перемещающееся с одинаковой по отношению ко всем скоростью? Поиски ответа на данный вопрос вели к совершенно новому восприятию таких основополагающих понятий, как пространство и время.

Рассмотрим понятие одновременности в свете специальной теории относительности. В механике Ньютона время абсолютно и, следовательно, одинаково для всех наблюдателей. В схеме Эйнштейна, напротив, одновременные события в одной системе отсчета обычно не одновременны в другой системе отсчета; другими словами, одновременность событий зависит от системы отсчета. Это означает, что время протекает (и измеряется) по-разному в зависимости от системы.

Из постулатов Эйнштейна следует, что измеряемое время может замедляться в движущихся инерциальных системах; иначе говоря, оно течет быстрее, когда мы измеряем его в той же системе отсчета, в которой и находимся (в «собственной» системе). Наконец, и длина предмета зависит от системы, в которой он измеряется, поскольку определить длину означает определить одновременно края этого предмета. Эйнштейн осуществил множество «мысленных экспериментов», чтобы данный аспект стал очевидным. И если релятивистские эффекты – сокращение длины и замедление времени – незаметны в повседневном мире, для которого механика Ньютона является достаточно точной, то они играют ключевую роль в объяснении субатомных процессов.

Еще один важный принцип, следовавший из теории относительности и оказавший серьезное влияние на квантовую теорию, – принцип эквивалентности массы и энергии. В релятивистской теории масса тела зависит от системы отсчета, она увеличивается вместе со скоростью и тяготеет к бесконечности, когда скорость тела приближается к скорости света. Соотношение между массой и общей энергией тела выражается знаменитым уравнением Эйнштейна: Е = mc². Оно описывает эквивалентность массы и энергии и означает, что излучение или взаимодействие, то есть энергия, могут переходить в массу (в частицы), и наоборот, что частицы (масса) могут разрушаться, производя энергию. Это уравнение сыграло огромную роль

Дирак в учебной аудитории.

Поль Дирак (четвертый слева) с коллегами во время VII Сольвеевского конгресса, который был организован в 1933 году и посвящен структуре и свойствам атомного ядра. в открытии взаимодействия излучения с веществом в рамках квантовой теории. Дирак стал первым ученым, сумевшим логично соединить релятивистскую теорию с квантовой моделью. Постулирование неинерциальных систем отсчетов привело Эйнштейна к разработке общей теории относительности, он опубликовал ее в 1916 году.

РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КВАНТОВОМ МИРЕ

Время, в которое происходит какое-либо событие, так же как и длина предмета, зависят от инерциальной системы отсчета, в которой они измеряются. В свете теории относительности эти эффекты выражаются следующими уравнениями:

Δt = γΔt₀; L = L₀/γ

где Δt₀ и L₀ означают измеряемые время и длину в движущейся системе отсчета, а Δt и L показатели, измеряемые в неподвижной системе. Член уравнений у, называемый «фактором Лоренца», выражается так:

γ = 1/(√(1-(v/c)2)

В обычной жизни скорость предметов (V) слишком мала по отношению к скорости света (с). В этой ситуации фактор Лоренца практически равен 1. Таким образом, нет никакой разницы между длиной или временным интервалом, измеряемыми разными наблюдателями. Принципиально иная ситуация наблюдается в субатомном мире, где скорости сопоставимы со скоростью света. Фактор у там значительно больше 1, что влечет за собой растяжение времени (Δt > Δt₀ и сокращение длины (L < L₀). Данные эффекты хорошо заметны в случае мюонов. Эти элементарные частицы образуются, когда космические лучи (лучи из внешнего пространства) проникают в земную атмосферу. Как показано на схеме, мюоны появляются приблизительно на высоте 15 км от поверхности Земли. В среднем они распадаются за 2·10^-6 секунд, если измерять время в их собственной системе. В механике Ньютона мюон, перемещаясь со скоростью, близкой к скорости света, мог пройти расстояние в 600-700 м до своего распада и, следовательно, никогда не мог достигнуть земной поверхности. Однако значительное количество мюонов достигало земли. Как такое возможно? Теория относительности объясняет данное явление. В инерциальной системе Земли средняя жизнь мюонов приблизительно в 20 раз дольше, чем в их собственной системе. Это означает, что мюон может преодолеть расстояние в 15 км (измеряемых в земной системе), совпадающее с толщиной атмосферы, через которую он должен пройти до своего распада на земной поверхности. Теория относительности предлагает похожее объяснение сокращения длины. В системе мюона в состоянии покоя толщина атмосферы значительно меньше, она уменьшается до 600-700 м (то самое расстояние, которое мюон проходит за свою среднюю жизнь, измеряемую в его собственной системе).