Охотники за частицами
Шрифт:
Это глубокое различие в подходе двух теорий — теории быстрых движений больших тел и теории медленных движений маленьких тел — в те годы еще не осознается физиками. Дирак видит лишь, что решения составленного им уравнения, которое является развитием основного уравнения квантовой механики на быстрые движения, не обладают релятивистской инвариантностью.
Страшные это слова — «релятивистская инвариантность». Страшные своей неумолимостью. Если теория не обладает этим свойством,
Что же означают эти страшные слова? Не удивляйтесь: вам, оказывается, хорошо известен скрытый в них смысл. Еще в первые годы изучения физики в школе вы узнаёте такое важное понятие, как система отсчета для движения тел, и такое важнейшее положение, что законы движения тел не должны зависеть от того, как вами выбрана система отсчета, в которой изучаются эти движения. Это и понятно: представляете себе, какой произвол воцарился бы в мире в противном случае!
Вам известны и приводимые тому примеры. Если вы играете в волейбол на равномерно плывущем пароходе, то мяч летает точно так же, как если бы вы играли на лужайке. И уравнения движения этого мяча в «системе отсчета» судьи, сидящего на вышке, ничем не отличаются друг от друга в обоих случаях.
Точно так же нет различия между тем, как идут ходики в равномерно движущемся поезде или в доме стрелочника на полустанке, мимо которого проносится поезд. И в том и в другом случае движение маятника часов описывается одним и тем же уравнением.
На языке физики это положение называется принципом относительности Галилея. Почти три века в справедливости этого принципа никто не сомневался.
Но вот приходит Альберт Эйнштейн и доказывает, что принцип Галилея верен лишь для сравнительно медленных движений тел. Для быстрых движений он принимает иной вид. Теперь его надо заменять принципом относительности Эйнштейна.
Здесь мы не будем описывать открытия Эйнштейна. Это описание можно найти в любой популярной книге по теории относительности. Укажем лишь на гораздо более высокую требовательность этого принципа.
Принципу Галилея часто угодить довольно легко. Как выразился один физик, «этот принцип протестует только в том случае, когда к нему подносят на проверку теории неравномерных, ускоренных движений».
Принцип Эйнштейна гораздо более разборчив. Со времени своего открытия он успел отвергнуть множество скороспелых теорий, на вид таких правильных и убедительных. Прошли старые добрые времена. Теперь ворота, через которые может пройти в рай физическая теория, стали очень-очень узкими.
На теориях, не пролезших сквозь эти ворота, принцип Эйнштейна ставит железное клеймо: «релятивистски неинвариантны». А по-русски: «уравнения и решения теории зависят от выбора системы отсчета при движении тел с околосветовыми скоростями».
Жаль, думает Дирак. Придется искать другие, обходные пути на холм. С принципом Эйнштейна не спорят.
После раздумий Дирак составляет другое уравнение. Оно гораздо сложнее первого, но в одном печалиться нет оснований. Строгая проверка его решений показывает, что на сей раз они релятивистски инвариантны. Причем — все.
Как
Понять смысл первых двух решений удается сравнительно быстро. Осматривая окрестности с высоты первой завоеванной ступеньки, Дирак замечает явление, открытие которого имеет к тому времени почти трехлетнюю давность. Это открытие спина Уленбеком и Гаудсмитом, о чем мы уже рассказывали в предыдущей главе.
Погрешив против истины, ученые вначале для простоты объясняли спин, как некое «собственное вращение» электрона. И летящий электрон уподобили снаряду, выпущенному из нарезного орудия: он и летит и вращается одновременно.
Почему бы не существовать орудиям как с правой, так и с левой нарезкой? Тогда один снаряд вращался бы в полете по часовой, а другой — против часовой стрелки. Спин такого снаряда в одном случае «смотрел» бы, например, вдоль, а в другом — против направления движения.
Не все ли равно? Действительно, оба направления вращения нельзя никак отличить друг от друга не только у снарядов, но и у электронов. Так будет казаться физикам еще добрых тридцать лет. И только тогда выяснится, что… впрочем, всему свое время.
Пока что Дирак принимает, что для электрона возможна как правая, так и левая «нарезка». Этим двум направлениям спина и отвечают первые два решения. Остаются еще два. С ними дело обстоит гораздо сложнее.
Вернее, с одним из них. Как оказывается, оно соответствует отрицательной полной энергии электрона.
Что же в этом необычного? Физикам отрицательная полная энергия в диковинку. Она отвечает несвободным частицам, например электронам в атоме, в куске металла и вообще в любой яме. Собственно, отрицательность энергии означает лишь, что частица не может двигаться, как ей вздумается. Она находится в коллективе других частиц, связана в нем, а значит, следует правилам поведения, принятым в этом коллективе.
Но уравнение Дирака написано ведь для совершенно свободного электрона!
Да, интересное положение…
Потенциальная энергия у любой свободной частицы, как известно, равна нулю, и полная ее энергия совпадает с кинетической. Отрицательная кинетическая энергия! Мы с этим уже встречались: помните туннельный эффект?
Только там это на поверку оказалось фикцией, а здесь — чистой явью. И следствие этого вам тоже понятно: значит, отрицательна масса электрона.
Замечательно! Если бы из таких, с позволения сказать, частиц состоял, например, поезд, то он двигался бы сверхоригинально. Локомотив тащил бы его, скажем, в Ленинград, а поезд преспокойно удалялся бы в Москву!
Дирак и сам понимает, что это «замечательно». Любой человек на его месте поступил бы так, как делает, когда у него в ответе получается: «площадь дома равняется ±100 квадратных метров». Отбросил бы минус, как не имеющий никакого физического смысла.
Дирак, как англичанин, может быть полон здравого смысла. Но как истинный ученый, он пытается докопаться до происхождения этого «минуса».
Проходит немного времени, и Дирак превращает странный «минус» в один из самых выдающихся «плюсов» за всю историю физики!