Что такое квантовое море

Что такое море Дирака?

Море Дирака — умозрительная модель вакуума, объясняющая (или предсказывающая) существование античастиц у фермионов. Разработана Дираком для случая электрона после открытия уравнения Дирака.

Проблема отрицательных энергий

Море Дирака для массивной частицы. • частицы, • античастицы
Уравнение Дирака предсказывает существование отрицательных уровней энергии для электронов. Буквальное толкование данного парадокса означало бы возможность электронов проваливаться на отрицательные уровни, высвобождая «несуществующую» энергию, что противоречит опыту.

Возможен обратный процесс: аннигиляция. Электрон с положительной энергией, взаимодействуя с антиэлектроном, попадает в пустое состояние, заполняя его (то есть уничтожая антиэлектрон) и пропадает сам. Выделяется только энергия.
Критика

Модель моря Дирака не работает для бозонов, а многие из них (хотя не все) тоже обладают античастицами.

Модель имеет математические изъяны, вызванные рассмотрением бесконечного числа отрицательных состояний, все (или почти все) из которых заняты. Исходя из соображений физики, также неясно, почему электрический заряд вакуума (якобы набитого электронами) должен непременно быть нулевым. Попытки избавиться от этих парадоксов также выводят на некоторые идеи квантовой теории поля, разработанной уже после изобретения «моря» и экспериментального подтверждения существования античастиц.

В современной физике теория «моря Дирака» не воспринимается буквально. Дальнейшим развитием этой идеи можно считать океан Хиггса

Море Дирака — умозрительная модель вакуума, объясняющая (или предсказывающая) существование античастиц у фермионов. Разработана Дираком для случая электрона после открытия уравнения Дирака.

[править] Проблема отрицательных энергий

Море Дирака для массивной частицы. • частицы, • античастицы
Уравнение Дирака предсказывает существование отрицательных уровней энергии для электронов. Буквальное толкование данного парадокса означало бы возможность электронов проваливаться на отрицательные уровни, высвобождая «несуществующую» энергию, что противоречит опыту.

Возможен обратный процесс: аннигиляция. Электрон с положительной энергией, взаимодействуя с антиэлектроном, попадает в пустое состояние, заполняя его (то есть уничтожая антиэлектрон) и пропадает сам. Выделяется только энергия.

Источник

2.1.7. Море Дирака

Создателям квантовой механики поначалу было не до эфира, им хватало забот с непривычным новым миром, где энергия дробилась на порции, волна оказывалась частицей, а частица — волной.

Но теория относительности и теория квантовой механики должны были встретиться и начать как-то учитывать открытия, сделанные каждой из них, уже потому, что элементарные частицы способны двигаться почти со скоростью света, а фотоны же вообще движутся только со световой скоростью.

Частица и античастица

Первым начал процесс объединения двух теорий английский физик Поль Дирак. Частиц тогда — к 1928 году — было известно только три: фотон, электрон и протон. Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света); электрон — элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным (как условились считать) зарядом, был открыт Томсоном в 1891 году; протон — стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Самым “старым” был электрон. С ним физики были знакомы уже десятки лет. Понятно, что с электронов и следовало начинать.

Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов и квантовой механики и теории относительности и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давая два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией, другое — частице, у которой энергия была отрицательной. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (18, с. 163).

Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных “антиблизнецов”. Используя результаты экспериментов швейцарского ученого В. Паули, Дирак сделал потрясающий вывод: “Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане” (69, с. 16). Сравнение с океаном (или морем) оказалось удачным. Вакуум нередко называют “морем Дирака”. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события (83, с. 16).

Чтобы лучше понять это положение, рассмотрим такую аналогию. Человеческий глаз видит только то, что движется относительно него. Очертания неподвижных предметов мы различаем только потому, что человеческий зрачок сам постоянно движется, А многие животные (например, лягушка), не обладающие таким аппаратом зрения, способны, не двигаясь, видеть только движущиеся предметы.

Все мы, живущие в “море Дирака”, оказываемся по отношению к нему в положении лягушки, застывшей на берегу пруда в ожидании неосторожного насекомого. Летящее насекомое она увидит и не шелохнувшись, а пруд в безветренную погоду без бегущей по воде ряби для нее невидим. Так и для нас: фоновые электроны мы не видим, а в роли насекомого выступают редкие по сравнению с фоновыми электронами частицы с положительной энергией.

В 1956 году П. Дирак приезжал в Москву и выступил там с лекцией “Электроны и вакуум”. Он напомнил в ней, что мы не так уж редко встречаемся в физике с объектами, вполне реально существующими и тем не менее до случая никак себя не проявляющими. Например, невозбужденный атом, находящийся в состоянии наименьшей энергии. Он не излучает, значит, если на него никак не действовать, он останется ненаблюдаемым. В то же время мы точно знаем, что и такой атом не представляет собой нечто неподвижное: электроны движутся вокруг ядра, и в самом ядре идут обычные процессы.

Океан ненаблюдаем только до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в “море Дирака” попадает, скажем, богатый энергией световой квант — фотон, то он при определенных условиях заставляет “море” выдать себя, выбивая из него один из многочисленных электронов с отрицательной энергией. И, как утверждает теория, родятся сразу две частицы, которые можно будет обнаружить экспериментально: электрон с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом и антиэлектрон тоже с положительной энергией, но еще и с положительным зарядом.

В подтверждение теории Дирака в 1932 году американский физик К. Д. Андерсон экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном (18, с, 59).

Теперь уже доказано, что для каждой элементарной частицы в нашем мире существует и античастица.

Все это не придумано, а открыто, обнаружено, тысячекратно проверено и перепроверено, А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.

Знаменитый физик В. Гейзенберг подчеркивал принципиальное значение работ Дирака над проблемой вакуума. До них считалось, что вакуум есть чистое “ничто”, которое, что бы с ним ни делать, каким преобразованиям ни подвергать, измениться не способно, всегда оставаясь все тем же ничем. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее “ничто” обращалось бы во множество пар частица-античастица.

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю и без реальных частиц. Это электромагнитное поле без фотонов, это пионное поле без пи-мезонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов.

Но раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми потому, что там нет частиц. Удивительная вещь; колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики считают, что при колебаниях рождаются и исчезают кванты. Колеблется электромагнитное поле — рождаются и пропадают фотоны, колеблется пионное поле — появляются и исчезают пи-мезоны и т, д. Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме. Компромисс такой: частицы рождаются при нулевых колебаниях, живут очень недолго и исчезают, Однако, получается, что частицы, рождаясь из “ничего” и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимый закон сохранения массы и энергии. Тут вся суть в том “сроке жизни”, который отпущен частицам: он настолько краток, что “нарушение” законов можно лишь вычислить теоретически, но экспериментально это наблюдать нельзя. Родилась частица из “ничего” и тут же умерла. Например, время “жизни” мгновенного электрона, примерно, 10-21 секунды, а мгновенного нейтрона 10-24 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как и электрон, если его не трогать.

Поэтому частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя, назвали, в отличие от обычных, реальных, — виртуальными, В точном переводе с латыни — возможными. Но считать, что данные частицы только возможны, а па самом деле их нет — неверно. Эти “возможные” частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как это наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных частиц и даже на микроскопические тела (69, с. 67). И если отдельную виртуальную частицу физика обнаружить не может, то суммарное их воздействие на обычные частицы фиксируется отлично.

Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучаются взаимодействия элементарных частиц, но и в эксперименте с макротелами- Две пластины, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться. Этот факт был открыт в 1965 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром.

По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

Оказалось также, что виртуальные частицы возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Реальный электрон притягивает к себе виртуальные позитроны и отталкивает виртуальные электроны — по знакомому нам закону притяжении разноименных и отталкивания одноименных электромагнитных зарядов. В результате вакуум поляризуется, поскольку заряды в нем оказываются разделенными пространственно. Электрон оказывается окруженным слоем виртуальных позитронов. И каждая элементарная частица движется в сопровождении целой свиты из виртуальных частиц. Такое облако виртуальных частиц вокруг частицы реальной часто называют шубой и даже не ставят кавычек. Такая виртуальная шуба мешает разглядеть саму реальную частицу.

Член-корреспондент АН СССР Д. И. Блохинцев писал: “. В результате поляризации вакуума вокруг заряженной частицы создается связанная с ней „атмосфера»”.

Резерфордовскую модель атома, так напоминающую Солнечную систему, пришлось заменить другой, где вокруг ядра летает не твердый шарик, а размазанное по орбите облако, а частицы ядра удерживаются вместе благодаря обмену другими частицами.

Огромная заслуга Дирака заключается в том, что он разработал релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, аннигиляцию (исчезновение) и рождение из вакуума электронно-позитронных пар. В 1933 году совместно с физиком Э. Шредингером он был удостоен Нобелевской премии (18, с. 399).

Дальнейшие исследования квантовой физики были посвящены, в частности, изучению возможности появления из вакуума реальных частиц. Что если на вакуум подействовать каким-нибудь полем, которое несет в себе энергию, достаточную, чтобы, по крайней мере, некоторые виртуальные частицы превратить в реальные?

Еще в 1939 году Э. Шредингер теоретически обосновал ситуацию, при которой из вакуума должны рождаться реальные частицы. Но уравнение, полученное им, оказалось, по крайней мере на время, мудрее своего творца. Шредингер посчитал возможность рождения реальной частицы из вакуума недостатком теории, из которой исходил в своих рассуждениях и размышлениях.

Стоит отметить, что в 1934 году Э, Шредингер был избран почетным членом АН СССР в знак признания его выдающихся заслуг (95, с, 130). В 90-х годах, когда было открыто пятое фундаментальное взаимодействие — информационное, ученые поняли, какие именно поля должны воздействовать на физический вакуум с целью получения реальных частиц. Это оказались торсионные поля, служащие носителем информации в Тонком Мире, распространяющиеся с мгновенной скоростью и без затрат энергии.

Вот вам и предположения Эйнштейна, и теорема Белла, и исследования Бома, и эксперименты Аспекта.

Подводя итоги сказанному, подчеркнем следующее: квантовая физика доказала, что в вакууме в скрытом виде присутствуют частицы и античастицы, а квант своей энергией проявляет пару (электрон-позитрон), дает ей наблюдаемое и, так сказать, легальное положение в мире.

Именно квантовая физика сделала эйнштейновское пространство физическим вакуумом, заполнила это пространство материальной средой, не поссорившись с теорией относительности. Но союз квантовой физики и теории относительности мог достичь своего апогея только в результате создания Единой Теории Поля. Она должна быть тесным образом связана со свойствами физического вакуума, опираться в своих выводах на эти свойства и в то же время объяснять их.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Саргассово море

Саргассово море На востоке в Бермудский треугольник входит часть Саргассова моря — не менее интересной области, чем сам треугольник, окутанной не меньшим количеством тайн. На западе и севере оно ограничено течением Гольфстрим, на востоке имеет координаты 40° з. д., на юге

«Море спокойствия»

«Море спокойствия» Сядьте поудобнее. Спина должна быть выпрямлена, а плечи расслаблены. Медленно и ритмично дышите носом. Расслабьте живот, на вдохе он должен выпячиваться, как у младенца. Язык должен находиться в верхней части рта, его кончик должен касаться твердого

Море спокойствия

Море спокойствия Медитация подобна погружению на дно моря, где все тихо и спокойно. На поверхности может быть множество волн, но глубже море спокойно. В своих глубочайших глубинах море — само безмолвие. Когда мы начинаем медитировать, сначала мы пытаемся достичь нашей

Собирающимся выйти в море

Собирающимся выйти в море Если ваш муж, сын, брат – моряк либо рыбак, или вам предстоит морское путешествие, поберегитесь и, прежде чем собраться в морскую дорогу, прочтите дома три раза этот оберег. Он сохранит вас от смерти на воде.На Осьянской горе, на отцовской земле,

Море потерянных душ

Море потерянных душ Шеннон Брейси, сорокадвухлетняя медсестра из Новой Зеландии, совершала необычный вояж — одна на шлюпке она решила пересечь Тихий океан, обогнуть Южную Америку и вдоль восточного ее берега добраться до Багам. Маршрут пролегал через Бермудский

Выпивший море[1]

Выпивший море[1] В то время, когда благочестивый Агастья пребывал в южных странах, возмутились асуры, загнанные богами на дно моря. Выходя по ночам на берег, они наводили ужас на людей, не щадя ни детей, ни женщин, безжалостно разрушали обители праведников. Люди в ужасе

«Море» Представьте, что вы купаетесь в теплом море. Каждая волна полна любви. Волны накатывают на вас, и вы наполняетесь любовью. Ощутите, что это чувство приносит вам счастье, вы наслаждаетесь им. Рядом с вами появляется ваш возлюбленный. Вы полны любви и готовы поделиться

Море ужаса

Море ужаса Но мое пробуждение было отнюдь не столь безмятежным. Я почувствовал себя в положении ребенка, который худо-бедно сложил игрушечную мозаику и, оторвав от нее взгляд, обнаружил, что на полу осталось множество «лишних» кусочков. Взяв лист бумаги, я кратко набросал

Корабль в море

Корабль в море Мои тревоги по этому поводу, впрочем, развеялись, как только я прилетел в Париж. Дело в том, что здесь меня ждал еще один сюрприз: мадам Федак восстановила контакты со многими старыми знакомыми своего отца. А поскольку Пьер-Мари Федак был широко известен в

На море и на суше

На море и на суше Но были и настоящие открытия. В июле 1991 г. коллекция наиболее выдающихся объектов древней изобразительной деятельности пополнилась новым, уникальным. Во Франции вблизи Марселя, вне основного скопления памятников «с искусством», под водой была

«Море» Представьте, что вы купаетесь в теплом море. Каждая волна полна любви. Волны накатываются на вас, и вы наполняетесь любовью. Ощутите, что это чувство приносит вам счастье, вы наслаждаетесь им. Рядом с вами появляется ваш возлюбленный, вы заполнены любовью и готовы

IX. Похороны в море

IX. Похороны в море Не успел лорд Дженнер в сопровождении Гермины выйти на палубу после первого завтрака, как к ним подошёл капитан парохода, прося позволения переговорить с «его сиятельством» о печальном событии и о необходимости поскорее покончить с погребением тела.По

Скала в море

Скала в море …Огромная скала-остров неожиданно возникла в ночи, буквально поднявшись из моря перед нашим паромом. Лишь огоньки вдоль дороги, петляющей где-то между высокими пиками, указывали, что здесь идет обычная неторопливая жизнь, столь характерная для греческого

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Мы как-то с вами обсуждали чем опасно Отбойное течение, но есть и еще интересные океанские явления, которые могут быть опасными для человека.

Волны в виде квадратов относятся к таковым. По виду они напоминают шахматную доску, но не все так просто.

1. Откуда берутся квадратные волны

В большинстве своем это связано с разным направлением морского течения и ветра, когда воздушные потоки направляют волны в перпендикулярном направлении водных потоков. В других случаях это связано с тем, что волны различных штормов сталкиваются, а появившиеся в результате этого новые волны направлены по отношению одна к другой под острым углом либо прямым.

Также это может быть связано и с резким изменением направления ветра, когда волны идут в противоположную сторону, а водные потоки и дальше движутся по отношению к вновь образовавшимся потокам под углом.

Появиться такая сетка из волн может практически везде в море, но в основном это явление наблюдается вблизи берега, на мелководье. Характерной чертой является то, что в этом случае море успокаивается довольно быстро и рисунок пропадает сам по себе.

Очень много путешественников, чтобы увидеть своими глазами море в клетку, едут на французский остров под названием Ре. И неизменно местные жители всех предупреждают, что если на воде появились квадраты, лучше в нее не заходить.

2. Почему это опасно

Даже если амплитуда небольшая, волны могут быть небезопасными, так как есть вероятность того, что человека просто затянет в открытое море.

Сетчатые волны создают подводные, достаточно сильные течения, что опасно не только для пловцов, но и судов. Корабли могут перевернуться в связи с качкой, спровоцированной течением.

При волнении на море с древних времен капитаны направляют свои суда к волне под небольшим углом. В случае, если вести корабль поперек, появляется огромный риск того, что он уйдет ко дну. Справиться с волнами намного сложнее, если они движутся в нескольких направлениях.

Не совсем обычный рисунок затрудняет и пространственное ориентирование. Что касается подводных течений, то они образуют вихрь, который затягивает все, что находится в радиусе его действия. В итоге даже большие корабли отбрасываются в сторону от своего курса. В связи с этим наблюдать за этим явлением рекомендуется с берега, а в воду заходить только после его исчезновения.

Источник

Сказка о молчаливом Поле Дираке, открывшем мир античастиц

«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010–2014 гг.; в №№ 1, 4–7, 9 2015 г.; в №№ 1, 2 2016 г.

Поль Дирак (около 1930 года). Фото: Wikimedia Commons/PD

Очередная сказка, которую рассказала перед сном своим детям принцесса Дзинтара, началась с небольшого вступления.

— Человеческий характер во многом закладывается в детстве. Так произошло и с Полем Дираком. Он родился в Англии, его отец, швейцарец, преподавал в Бристоле французский язык и требовал, чтобы дома все разговаривали только по-французски. Для англоязычных детей, а их в семье было трое, это оказалось непростым делом, поэтому мальчик рос молчаливым, склонным к уединённым размышлениям.

В шестнадцать лет Поль поступил в Бристольский университет на инженерный факультет, хотя его любимым предметом была математика. В дальнейшем, когда Дирак стал выдающимся физиком-теоретиком, он всё равно высоко ценил своё инженерное образование. «Раньше я видел смысл лишь в точных уравнениях. Мне казалось, что если пользоваться приближёнными методами, то работа становится невыносимо уродливой, в то время как мне страстно хотелось сохранить математическую красоту. Инженерное образование, которое я получил, как раз научило меня смиряться с приближёнными методами, и я обнаружил, что даже в теориях, основанных на приближениях, можно увидеть достаточно много красоты. Если бы не инженерное образование, я, наверное, никогда не добился бы успеха в своей последующей деятельности. »

Перед окончанием университета Поль проходил практику на одном из машиностроительных заводов, но там не были впечатлены талантами новоиспечённого инженера-электротехника и работу ему не предложили.

— Я так понимаю, что это стало огромным благом и для него, и для науки? — заметил Андрей.

— Полагаю, да. Если бы Дирак ушёл в инженерную деятельность, вряд ли бы он занялся фундаментальной наукой.

Оставшись без работы, Дирак увлёкся общей теорией относительности, с основами которой познакомился ещё во время учёбы в университете. Поль проштудировал знаменитую книгу по теории относительности английского физика-теоретика Артура Эддингтона и даже беседовал с её автором — признанным экспертом в этой области. Параллельно Поль два года занимался математикой в Бристольском университете, посещая его как вольнослушатель. После блестящей сдачи экзаменов Дирак получил университетскую стипендию и грант от отдела образования Бристоля. Эти средства позволили ему продолжить образование в аспирантуре Кембриджского университета.

Альма-матер Поля Дирака — Бристольский университет. Фото: Francium 12/Wikimedia Commons/PD

Случилось так, что в Кембридже его научным руководителем стал профессор, английский физик-теоретик, астрофизик и математик, специалист по статистической механике Ральф Говард Фаулер. Сначала Дирак был разочарован, но это быстро прошло. Фаулер познакомил молодого человека с идеями Нильса Бора и концепциями зарождающейся атомной физики. Дирак увлёкся новой темой. Впоследствии он писал: «Помню, какое огромное впечатление произвела на меня теория Бора. Я считаю, что появление идей Бора было самым грандиозным шагом в истории развития квантовой механики. Самое неожиданное, самое удивительное заключалось в том, что столь радикальное отступление от законов Ньютона дало такие замечательные плоды».

Свою диссертацию Дирак так и назвал: «Квантовая механика». На него сильное впечатление произвела лекция одного из её создателей — немецкого физика Вернера Гейзенберга, которую тот прочитал в Кембридже летом 1925 года. Дирак переписывался с Гейзенбергом, изучал его работы. «У меня есть наиболее веские причины быть почитателем Вернера Гейзенберга, — писал он. — Мы учились в одно время, были почти ровесниками и работали над одной и той же проблемой. Гейзенберг преуспел там, где у меня были неудачи. К тому времени накопилось огромное количество спектроскопического материала, и Гейзенберг нашел правильный путь в его лабиринте. Сделав это, он дал начало золотому веку теоретической физики. »

За несколько лет Дирак опубликовал ряд статей, которые вместе с работами Гейзенберга и ещё одного из создателей квантовой механики, австрийского физика-теоретика Эрвина Шрёдингера стали основой новой квантовой механики. Один из результатов, полученных Дираком, оказался особенно впечатляющим. Он сумел получить релятивистское уравнение для электрона.

— А что означает релятивистское уравнение? — спросила Галатея.

— Это уравнение, которое описывает движение тел при самых больших скоростях, но, разумеется, меньших, чем скорость света, ведь ни одному материальному телу, в том числе электрону, теория относительности не разрешает обгонять свет. К нерелятивистским уравнениям относятся, например, уравнения динамики Ньютона, — они описывают движение тел со скоростями, гораздо меньшими, чем скорость света.

В то время релятивистского уравнения для электрона не существовало. Дирак вспоминал: «. при согласовании квантовой механики с теорией относительности возникли трудности. Я был очень озабочен ими в то время, но других физиков по какой-то непонятной мне причине эти проблемы совершенно не волновали».

Дирак долго не мог получить нужную формулу. Он писал: «В течение нескольких месяцев эта задача оставалась нерешённой, и ответ возник совершенно неожиданно, явив собой один из примеров незаслуженного успеха».

— Как это «ответ возник неожиданно»? И почему этот успех Дирак называет незаслуженным? — спросила Галатея.

— Дирак поскромничал. Успех приходит лишь к тому, у кого много знаний и кто долго думает над решением задачи. Неожиданным бывает только конкретное решение, когда все части головоломки встают на свои места. Незаслуженным могут считать свой успех только очень скромные люди. Когда природа открывает им свои секреты, они могут считать это счастье незаработанным. Дирак был именно таким человеком. Он часто повторял, что уравнения должны быть красивыми и что у красивой теории гораздо больше шансов оказаться правильной. Итогом размышлений Дирака стало уравнение, которое описывало электрон и его спин. Сейчас его называют уравнением Дирака.

— 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».

Неполная коллекция книг Поля Дирака, переведённых на русский язык. Фото Николая Горькавого

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“)».

Моделирование взаимодействия сталкивающихся протонов, которые рождают множество других частиц. Фото: Лукас Тейлор/ЦЕРН

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?».

Поль Дирак читает лекцию студентам. Фото: Wikimedia Commons/PD

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.

Слева: Орден Заслуг. Поль Дирак был награждён этим рыцарским орденом, учреждённым королём Эдуардом VII. Общество удостоенных столь высокой награды выдающихся британцев состоит всего из 24 членов. Фото: Википедия.
В центре: медаль имени Поля Дирака. Её присуждает Международный центр теоретической физики имени Абдуса Салама в Триесте. Фото: sachdev.physics.harvard.edu.
Справа: медаль имени Поля Дирака, которую получил профессор Гарвардского университета Субир Сачдев. Фото: Wikimedia Commons/PD

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.

Источник