Текст книги "Темная сторона материи. Дирак. Антивещество"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 8 страниц)

«Упомянутые большие числа должны быть представлены не в виде постоянных, а как простые функции нашей настоящей эпохи. Согласно общему принципу, эти большие числа, которые описывают физическую теорию, должны зависеть от времени, выраженного в атомных единицах».

Дирак назвал данный тезис «гипотезой больших чисел». В ее основе лежала идея о том, что два любых больших числа в природе всегда связаны математическим отношением, в котором их коэффициенты составляют порядка единицы.

Дирак развил свою гипотезу до предела и завершил статью замечанием, что гравитационная постоянная обратно зависит от времени. Кроме того, общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) во Вселенной увеличивается пропорционально квадрату времени. И наконец, возраст Вселенной и постоянную Хаббла связывает следующее отношение:

t = 1/3H.

Работа Дирака, противоречащая теории Эйнштейна (согласно которой космологическая постоянная не зависит от времени), не вызвала никакого интереса в научном сообществе. Для значительного числа физиков в области космологии речь шла просто о нумерологии. А коллеги по квантовой физике полностью проигнорировали выводы ученого.

ПИОНЕРЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КОСМОЛОГИИ

В 1930-е годы в космологии произошла настоящая революция. В 1929 году, после тщательного анализа огромного количества данных наблюдений, американский физик Эдвин Хаббл (1889-1953) пришел к выводу, что Вселенная расширяется. Чем больше расстояние между какими-либо двумя галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления. Хаббл установил отношение между скоростью и расстоянием: v=H∙d. Сегодня этот коэффициент пропорциональности Н называется постоянной Хаббла. Экспериментальные доказательства Хаббла согласуются с исследованиями, осуществленными ранее Александром Фридманом (1888-1925) и Жоржем Леметром (1894-1966), которые подтвердили, что общая теория относительности допускает расширение Вселенной. Забавно, что Леметр и Дирак посещали Кембриджский университет в одно время – в середине 1920-х годов.

Российский и советский физик Александр Фридман.

В 1938 году Дирак посвятил упомянутой проблеме вторую статью, более содержательную, а потом сделал большой перерыв и вернулся к ней только в 1972 году. Во всех дальнейших работах ученый развивал свою гипотезу больших чисел; кроме того, он пытался согласовать свои предположения с новыми опытными результатами, такими как реликтовое излучение, доказывающее теорию Большого взрыва.

Математика увлекла меня на неожиданные пути, открывающие новые перспективы и ведущие к новым территориям, на которых мы можем создать оперативную базу для изучения окружающего мира и прогресса в будущем.

Поль Дирак

Исследования, проведенные Дираком в 1950-х годах касательно возможности использования гамильтониана в общей теории относительности, заслуживают особого внимания.

Главной целью данных работ было построение квантовой теории гравитации. И хотя Дирак не преуспел в своих попытках (и сегодня физики еще решают эту проблему), «гравитон», представленный им на заседании Американского физического общества в 1959 году в Нью-Йорке, все-таки заслуживает упоминания: квант гравитационного взаимодействия является эквивалентом фотона для электромагнитного взаимодействия.

РАБОТА И ПОЕЗДКИ

Жизнь Дирака после 1934 года была организована практически так же, как и всегда, и включала в себя постоянную работу и поездки. До начала Второй мировой войны ученый неоднократно посещал США и Советский Союз. Дирак несколько раз побывал в Институте перспективных исследований Принстона, где познакомился с Маргит Вигнер (сестрой венгерского физика Юджина П. Вигнера), на которой женился в 1937 году.

Интересно, что в научной среде особые отношения у Дирака сложились с некоторыми физиками из СССР: он тесно сотрудничал с Таммом, Фоком и Капицей и трижды приезжал к ним в период между 1934 и 1937 годами (второй приезд совпал со смертью его отца в 1936 году). В дальнейшем Дирак не мог вернуться в Советский Союз до 1955 года.

Во время войны физик участвовал во многих военных проектах, однако в гораздо меньшей степени, нежели его коллеги. Он осуществил множество расчетов и исследований распада радиоактивных изотопов и, тем не менее, отказался прямо участвовать в Манхэттенском проекте. В Кембридже Дирак продолжал исследования в области теоретической физики, тогда как многие его коллеги-ученые полностью посвятили себя военным исследованиям. Большинство из них (родом из разных стран Европы) остались в США после окончания войны.

Следующие годы ознаменовались началом холодной войны (с 1948 года) и периодом «маккартизма» (1950-1956) в Штатах. В течение нескольких лет отношения Дирака с его советскими коллегами практически сошли на нет; частые поездки в СССР в 1930-е годы обернулись неприятностями с американскими властями. В 1954 году ученому было отказано во въездной визе в США. Однако для некоторых его европейских коллег (и даже для американских) последствия были гораздо более серьезными: Роберт Оппенгеймер, например, подвергся судебному преследованию.

Начиная с 1955 года Дирак снова стал ездить по миру, при этом надолго останавливаясь в Штатах. В этот период он активно участвовал в научных конгрессах, заседаниях и конференциях, по-прежнему держась подальше от света прожекторов. В 1969 году, после 37 лет работы руководителем Лукасовской кафедры в Кембридже, Дирак решил оставить свою должность. В тот же год он уехал в США, где сотрудничал со многими университетами. В 1971 году ученый принял, наконец, кафедру во Флоридском университете в Таллахасси, которую потом занимал до самой смерти (в 1984 году).

Во Флориде Дирак также продолжал свою исследовательскую деятельность и регулярно публиковал научные статьи. Он участвовал и в общественной деятельности, причем гораздо активнее, чем в Кембридже, где его университетская жизнь ограничивалась лекциями и семинарами. И хотя большую часть времени Дирак по-прежнему проводил в своем рабочем кабинете, его общение с другими профессорами и коллегами приняло более регулярный характер, нежели в прошлом.

КАПИЦА И СЕМЬЯ ДИРАКА

Среди физиков самые близкие дружеские отношения Дирак поддерживал, несомненно, с Петром Капицей. С самой их встречи в Кембридже в 1920-е годы они настолько хорошо понимали друг друга, что Дирак согласился сотрудничать с Капицей в его экспериментальных работах. В 1934 году Капице запретили покидать страну, и поездки Дирака в СССР значили для него очень много. Слова супруги ученого, наверное, лучше всего описывают особые отношения, связывавшие двух физиков: «В 1937 году Дирак привез меня в Россию, где мы побывали у его дорогого друга Петра Капицы. Он стал моим героем, [...] незабываемый друг, которого мы оба бесконечно любили и ценили». Капица получил Нобелевскую премию по физике в 1978-м и умер в 1984 году.

ПРИНЦИП МАТЕМАТИЧЕСКОЙ КРАСОТЫ

В 1956 году, во время пребывания Дирака в МГУ им. М.В. Ломоносова, его попросили (как и других выдающихся гостей) написать на доске одну, символизирующую его работу фразу, которую он завещал бы потомкам. Дирак написал: «Закон физики должен обладать математической красотой». Это предложение характеризует мышление Дирака с середины 1930-х годов. Девиз, которому он следовал всю жизнь, сегодня известен как «принцип математической красоты в физике». Именно из-за данного принципа Дирак так и не признал квантовую электродинамику, несмотря на то что она описывала экспериментальные результаты с исключительной точностью. Именно из-за него он защищал свою теорию космологических постоянных, хотя она очевидным образом противоречила экспериментальным данным.

Принцип математической красоты превратился в кредо любой научной идеи Дирака и не дал ему развить более оригинальные теории. Главным недостатком такого подхода был присущий ему субъективный характер (свойственный любому эстетическому принципу), не позволявший использовать его в качестве основного принципа в развитии науки. Дирак так никогда по-настоящему и не определил понятие математической красоты.

Когда ученого спросили, можно ли рассматривать красоту и простоту как равнозначные понятия, он ответил, что отношения между математикой и физикой гораздо более глубокие, нежели принцип простоты; в качестве примера он привел теории Ньютона и Эйнштейна:

«Теория Ньютона гораздо проще, нежели теория гравитации Эйнштейна. Однако теория Эйнштейна лучше и глубже, она более общая. Теорию относительности характеризует именно математическая красота, а не простота: это понятие лежит в основе отношений между физикой и математикой».

Принцип математической красоты иногда представлялся как «двигатель» научных работ Дирака, как «творческая сила» его нововведений и удивительных открытий в физике. На самом деле все было не так. Дирак не мог представить физику иначе как через математику. Она была языком физики, а значит, дорогой, которой должен идти каждый ученый, чтобы раскрыть тайны природы. Дирак решал проблемы, играя с уравнениями, что не переставало изумлять его коллег, не привыкших к такому способу работы. Не будем забывать, что ученый всегда критиковал метод Бора (среди других) в физике, поскольку у него не было серьезной математической основы. Все работы Дирака следовали одной и той же модели: концептуальная ясность и точность, емкие термины и сильная математическая база.

Поль Дирак во время лекции в Иешива– университете Нью-Йорка, 1962 год.

Два великих физика. Вернер Гейзенберг (справа) беседует с Полем Дираком во время 18-й ежегодной встречи нобелевских лауреатов в городе Линдау (Германия), 1968 год. 

Математическая красота – это качество, которое невозможно определить, как нельзя определить красоту и в искусстве, однако изучающие математику без труда узнают его.

Поль Дирак

В свой самый плодотворный период деятельности Дирак ни разу не упомянул о принципе математической красоты. В течение многих лет для него самым важным было точно описать физические проблемы, что означало найти последовательную математическую формулировку, не входящую в противоречие с методом приближений. Возможно, из-за своего инженерного образования Дирак ценил этот подход, который считал совершенно релевантным для решения конкретных проблем.

Первые упоминания понятия математической красоты датируются 1934 годом, они появились как ответ на чувство неудовлетворенности и глубокого разочарования, вызванное квантовой электродинамикой. В последующие годы данный принцип превратился в наваждение, стал почти религиозной верой; по словам самого Дирака, он не позволил ему принять другие открытия в физике и стал настоящим препятствием для его творческой деятельности.

Идея математической красоты в итоге полностью завладела мыслями ученого и изменила его подход к анализу физических проблем. Любой метод имел смысл, только если отвечал критериям «красоты», а результаты считались релевантными, только если были получены в соответствии с этим «религиозным» принципом. Этот тупиковый подход все дальше уводил его от научного метода. Неслучайно работы Дирака начали терять влияние и оригинальность с того момента, как он принял принцип математической красоты в качестве критерия своей научной мысли.

НАСЛЕДИЕ ДИРАКА

Из всех великих физиков Дирак, наверное, меньше всех опирался на философию. Ни в одной из статей он не раскрыл своих мыслей по поводу философии науки, научного метода или отношений между наукой и обществом. Он всегда тщательно оберегал свою частную жизнь, всячески избегал социальных контактов и лучей славы. Поэтому Дирак был так мало известен. Его имя и сегодня не на слуху – он всегда этого желал. Но если сам Дирак и не известен широкой публике, то его труды перевернули физику. Самые актуальные сегодня теории опираются на его работы, и можно без преувеличений утверждать, что мало кто из исследователей так сильно повлиял на современную фундаментальную физику.

Дирак показал себя как «теоретик теоретиков», некоторые его открытия просто ошеломили других ученых. Со временем его труды стали столь знамениты, что затмили имя своего создателя. Так, открытие антивещества было, по словам Гейзенберга, «наверное, самым большим прорывом из всех больших прорывов физики нашего века». Понятие антивещества громко заявило о себе в научно-популярной литературе – возможно, потому что последствия этого открытия трудно было предвидеть.

Вы, конечно, слышали о Вселенной и Антивселенной, о частицах и античастицах, которые взаимоуничтожаются, выделяя огромное количество энергии; вы, несомненно, читали об антиатомах и о создании сектой иллюминатов самого смертельного оружия из всех когда-либо придуманных человеком; вы наверняка видели по телевизору или в кино межгалактические космические корабли, перемещающиеся со скоростью света благодаря антивеществу; может быть, вы также знаете по собственному опыту о существовании некоторых медицинских технологий, таких как позитронно-эмиссионная томография. Когда вы будете думать об этих изобретениях, настоящих или придуманных, вспомните о «неизвестном» английском физике по имени Поль Дирак. Потому что все они существуют благодаря ему.

Список рекомендуемой литературы

Baselga, S., Dirac. La belleza matemdtica, Madrid, Nivola, 2008. Gamow, G., Biograf ία de laftsica, Madrid, Alianza, 2007.

Gribbin J., En busca del goto de Schrödinger, Barcelona, Salvat, 1994. —: Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003. Hooft, G., Particulas elementales, Barcelona, Drakontos, 2008. Kragh, H.S., Generaciones cudnticas: una historia de laftsica en el siglo XX, Madrid, Akal, 2007.

Penrose, R., El camino a la realidad, Madrid, Debate, 2006. Rosenblum B. y Kuttner E, El enigma cudntico, Barcelona, Tusquets, 2012.

Sanchez, J.L. y Cassinello A., La realidad cudntica, Barcelona, Critica, 2012.

Sanchez, J.M., Historia de la ftsica cudntica, Barcelona, Critica, 2001.

Teresi D. y Lederman L, Laparticula divina, Barcelona, Drakontos, 2007.

Ynduräin, EJ., Electrones, neutrinos у quarks, Barcelona, Critica, 2011. —: Teonas unificadas у constituyentes fundamentales de la materia, Madrid, Espasa Calpe, 1988.

Указатель

абсолютно черное тело 8, 9, 20, 28

алгебра

с-чисел 50, 65

q-чисел 50, 51, 54, 63, 117

Андерсон, Карл 108-110

аннигиляция частиц 100, 102, 103, 104, 110, 118, 125

антивещество 13, 71, 112, 126, 142, 53, 154

античастицы 12, 97, 102-108, 125, 130, 132, 142, 153

антиэлектрон 12, 14, 103-110, 112, 125, 142

Беккерель, Анри 28, 30

бесконечные величины 113, 120, 122, 123, 126, 128, 130, 132, 134-136, 138

Блэкетт, Патрик 35, 108, 109

Бор, Нильс 30, 35, 37, 41, 42, 44-48, 59-62, 73, 74, 93, 98, 99, 109, 111, 112, 126, 134, 137, 152

модель Бора 31, 37, 48

принцип соответствия Бора 41, 46, 75

Борн, Макс 10, 42, 44, 45, 48-51, 54, 63, 64, 68, 70, 77, 82, 90

вероятностная интерпретация 49, 54, 62

Бройль, Луи де 38, 52, 57, 76

Вейль, Герман 68, 97, 98, 105, 106

Вигнер, Юджин 14, 49, 68, 89, 122, 123, 147

виртуальные пары 130

волновая функция 11, 49, 52-55, 56, 58, 62-64, 75-77, 81, 84, 87, 94, 117, 118

вторичное квантование 118, 122

Гамильтон, сэр Уильям Роуэн 33, 34, 45, 46

гамильтониан 34, 47, 52, 53, 64, 81, 83-87, 118, 123, 147

Гаудсмит, Сэмюэл А. 79

Гейзенберг, Вернер 10, 11, 14, 33, 43-46, 48-51, 53, 54, 58, 60, 63-66, 68, 70, 73, 74, 82, 90-94, 96-98, 101, 111, 116, 120, 122, 124, 125, 127, 128, 129, 133, 142, 151, 153

голый заряд 12, 127

Дайсон, Фримен 135

замедление времени 24, 26

Зоммерфельд, Арнольд 31, 37, 42, 52, 74, 82, 83, 127

интеграл по траекториям 123

Йордан, Паскуаль 42, 44, 48-51, 54, 62, 63, 65-66, 68, 70, 90, 93, 120.122.124.132.142

Капица, Петр 35, 95, 141, 148, 149

кватернион 33

Кельвин, лорд 8, 20

Комптон, Артур X. 57, 110

корпускулярно-волновой дуализм 38

космологическая постоянная 144-147, 150

лагранжиан 33, 123

Лоренц, Хендрик А. 69

преобразования Лоренца 75, 77, 89

фактор Лоренца 26, 75

Лукасовская кафедра 14, 111, 148

лучи космические 26, 27, 108

Х-лучи 28

лэмбовский сдвиг 136, 137

магнитный момент электрона 71, 80, 90, 136

магнитный монополь 14, 139, 141-144

Максвелл, Джеймс Клерк 8, 17, 20.22.34.128.142

матрицы Дирака 85, 88

механика

волновая 43, 52-58, 62, 74, 77

квантовая 10, 11, 14, 33, 39-70, 73, 74, 76, 82, 83, 107, 113, 116, 118, 123, 124, 133, 135

классическая 34, 45, 46, 123

матричная 42, 50, 51, 62, 63, 68, 74

статистическая 20

Милликен, Роберт Э. 29, 108

море Дирака 99, 100, 102, 103, 105, 109, 110, 127

нейтрино 82, 133

Ньютон, Исаак 8, 17, 20, 22-24, 26, 33.34.76.111.150

одновременность 24

Окьялини, Джузеппе 109

Оппенгеймер, Роберт 49, 104, 105, 121, 132, 148

опыт

Майкельсона – Морли 23

Шенкланда 133

Штерна – Герлаха 78, 80, 83

относительность 8, 9, 15, 17, 18, 20, 22, 23-27, 31, 32, 34-37, 43, 53, 70, 71, 74, 77-80, 88, 90, 100, 124, 146.147.150

парадокс Клейна 94, 95

Паули, Вольфганг Эрнст 43, 48, 54, 55, 56, 59, 61, 78-83, 87, 99, 105, 107, 109, 110, 122-125, 128, 132-134, 142

матрицы Паули 81, 85, 87, 88

принцип запрета Паули 55, 56, 58, 79, 82, 98, 102

теория Паули 81, 83

уравнение Паули 80, 81, 83, 91

перенормировка 12, 127, 128, 131, 134, 135, 137, 138

Планк, Макс 9, 28-30, 46, 88, 112, 143

позитрон 108-109, 112, 117, 125– 128, 130, 132, 135, 154

поляризация вакуума 126-128

постоянная тонкой структуры 74, 90, 119, 127, 143

преобразования Галилея 22, 23

канонические 63

Лоренца 75, 77, 89

теория преобразований 11, 62-65, 74, 77, 83, 84

принцип запрета Паули см. Паули математической красоты 128, 141, 149-153

неопределенности Гейзенберга 11, 44, 65, 66, 73, 120, 125, 129, 133

относительности 22, 23, 43, 83, 84, 89

эквивалентности массы и энергии 11, 20, 24, 76, 95, 100, 125, 129

Пуассон, Симеон Дени 47

скобки Пуассона 45-48

радиационная поправка 119, 120, 136

Резерфорд, Эрнест 7, 30, 35, 108, 127

Рентген, Вильгельм 28

рождение частиц 100, 102, 103, 110, 118, 125

самосопряженный оператор 84-86

собственная энергия 122, 123, 126, 128, 129

сокращение длины 24, 26

спин 55, 58, 71, 78-83, 87, 89, 90, 91, 122, 132, 136

статистика

Бозе – Эйнштейна 56, 59, 117

Ферми – Дирака 58, 59

теория

дырок Дирака 97-103, 105, 106, 108-110, 118, 125, 132

преобразований Дирака 11, 62-68, 74, 77, 83, 84

Томонага, Синъитиро 125, 131, 134

Томсон, Джозеф Джон 28, 30, 35, 49

Уленбек, Джордж 79

уравнение

Дирака 7, 11-14, 33, 70, 71, 73, 80, 81, 83-97, 102, 118, 122, 136

Клейна – Гордона 74-78, 86, 91, 95, 132

Шрёдингера 52-54, 64, 76, 77, 79, 80, 84, 86, 94, 95, 117, 119

Фаулер, Ральф 9, 14, 34, 35, 36, 42, 46, 59, 83

Фейнман, Ричард 115, 123, 125, 129, 131, 132, 134, 135, 138

диаграммы Фейнмана 129

фотоэлектрический эффект 9, 18, 29, 30, 38

функция Дирака 11, 65-67

Швингер, Джулиан 125, 131, 134, 135

Шрёдингер, Эрвин 14, 42, 51-54, 59, 62-64, 70, 74, 76-81, 83, 84, 86, 90, 94, 95, 101, 111, 117, 119

Эддингтон, Артур С. 31, 32, 35, 36

Эйнштейн, Альберт 8, 9, 11-13, 18, 20, 23, 24, 26, 29, 32, 34, 44, 56-59, 62, 73, 76, 82, 89, 95, 107, 112, 116, 117, 146, 150

электродинамика 12, 68, 69, 113—138, 141, 150, 152

Эренфест, Пауль 69, 69, 79, 90, 107

эффект

Зеемана 78, 79, 83, 93

Комптона 57, 74

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.