Дирак часто повторял, что уравнения должны быть красивыми и что красивая теория имеет гораздо больше шансов быть правильной. В итоге своих размышлений Дирак получил уравнение, которое сейчас называется уравнением Дирака. Это уравнение описывало электрон и его спин…
– Что такое спин? – перебила Галатея.
– Это одновременно и простой, и сложный вопрос. Если рассмотреть электрон как обычный вращающийся шарик, то его вращение и называется спином.
– Это просто! – согласилась Галатея.
– Да, но если мы припишем шарику-электрону обычный радиус 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. Поэтому физики до сих пор плохо понимают, что и как в нём вращается.
– Это всё усложняет, – сказала Галатея и прищурилась, вглядываясь в глубины таинственно вращающегося электрона.
– Вернёмся к уравнению Дирака. 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 между состояниями с положительной и отрицательной энергиями. И тут перед Дираком, как перед любым учёным в таком положении, встала дилемма…
– Что такое дилемма? – не утерпела Галатея.
– Развилка дорог или необходимость выбора одного из двух вариантов. Одним из вариантов, который обдумывал Дирак, было отбрасывание уравнения, противоречащего традиционным взглядам, как неправильного – и поиск другого уравнения. Второй вариант предполагал, что уравнение правильно, а традиционные взгляды неверны. Такой подход требует от учёного 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».
Дирак смело решил, что его уравнение правильно и что существует новая частица – антипод электрона. Он интерпретировал 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 второй 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 возмущенном море невидимых частиц появится «дырка», которая будет точной копией электрона, рождённого из моря Дирака, но, в отличие от него, заряженной 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.
– Их можно понять! – заявила Галатея.
– Но их мнение резко изменилось, когда американец 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 уравнение? – удивилась Галатея.
– Да. Более того, уравнение Дирака привело к новой картине мире, в котором каждая элементарная частица имеет свою античастицу, с которой она при соприкосновении аннигилирует, то есть уничтожается с выделением энергии. Обратное тоже верно: если приложить достаточное количество энергии, то из моря Дирака родится пара из обычной частицы и её античастицы. То есть Дирак удвоил число частиц в нашем мире, фактически открыл мир-двойник из античастиц.
– Значит, во Вселенной есть античастицы, антиатомы и антипланеты, на которых живёт анти-Галатея? – с восторгом спросила 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 миры 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 античастицы рождаются с немного меньшей вероятностью, чем частицы. Поэтому в процессе эволюции 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“)».
Вернер Гейзенберг писал: «Парадоксальная ситуация, с которой мы столкнулись, очень хорошо описывается широко известной формулой: „Каждая элементарная частица состоит из всех других частиц“». Гейзенберг отмечает роль Дирака в создании новой парадигмы элементарных частиц: «Одной из главных причин, благодаря которой в физике элементарных частиц возникла эта новая ситуация, является возможность порождения пар, т. е. существование античастиц и антиматерии».
– А мы сами тоже родились из моря Дирака? – восторженно спросила Галатея.
– Полагаю, что да. Через год после открытия позитрона Дирак получил Нобелевскую премию, стал знаменитым, и у него появились ученики, хотя он занимался с ними без энтузиазма. Даже став преподавателем, Дирак остался молчаливым. Виктор Вайскопф вспоминал: «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».
Учёные Кембриджа в шутку ввели новую единицу измерения – «дирак»: один дирак равнялся одному слову в час.
Дирак любил точность. 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?»
Дирак любил путешествовать по разным странам и читать лекции. На их основе он опубликовал немало выдающихся в педагогическом отношении 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, читая лекции и публикуя книги.
Лауреат Нобелевской премии Абдус Салам так написал об этом учёном: «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».
Примечания для любопытных
Поль Дирак (1902–1984) – выдающийся английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933).
Артур Эддингтон (1882–1944) – выдающийся 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 Дирака, Мотта, Чандрасекара и других выдающихся физиков. Близкий друг Резерфорда, был женат на его единственной дочери Эйлин Мэри.
