Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Коллектив авторов

ПЕРВАЯ ПОЕЗДКА: КОПЕНГАГЕН

В сентябре 1926 года Дирак решил дополнить свое научное образование годовой стажировкой в университете Геттингена, где родилась квантовая механика. Однако, по совету Фаулера, он отправился сначала на пять месяцев в Копенгаген. В датской столице Дирак оказался рядом с самыми блестящими физиками того времени: Бором, Гейзенбергом, Клейном, Эренфестом, Паули и другими. Бор не сыграл решающей роли в развитии квантовой теории, но имел большое влияние в этой области физики. В Копенгагене его институт был одним из центров новой теории, местом встреч ученых, обсуждений и сотрудничества. Таким являлся метод работы Бора, заключавшийся в бесконечных дискуссиях и доказательствах, которые

доводили до изнеможения его коллег — как случилось со Шрёдингером через несколько недель после приезда Дирака. Нет никаких сомнений в том, что новая рабочая обстановка, создающая контраст с жесткой системой Кембриджа, оказала влияние на Дирака. Несколькими годами позже он вспоминал:

«Бор, кажется, был самым глубоким мыслителем из всех, кого я когда-либо встречал. [...] В то время мы вместе осуществляли долгие прогулки и бесконечно разговаривали. Хотя я должен признать, что в основном говорил Бор».

Несмотря на живую атмосферу Копенгагена, Дирак не изменил своим привычкам. Он продолжал работать в одиночестве и держался в стороне от постоянных обсуждений, происходивших в институте. Его повседневная жизнь заключалась в работе с понедельника по субботу в библиотеке и привычных загородных прогулках по воскресеньям. Свидетельства студентов того времени хорошо описывают характер и рабочие привычки физика:

«Дирак всегда казался нам таинственным. Он часто сидел один в самом отдаленном углу библиотеки, в самой неудобной позе, полностью погруженный в свои мысли. [...] Он мог провести весь день в одной позе, за один присест написать целую статью, ни разу не оторвав глаз от своего документа».

Дирак с самого начала не выказывал особого желания к возможной совместной работе с коллегами, в частности с Бором. Если он участвовал в семинарах и конференциях, организованных в институте, то лишь в качестве простого слушателя. В то время оживленные дискуссии об основах квантовой механики и вытекавшие из них гносеологические споры не представляли большого значения в его глазах; математическая формулировка теории казалась Дираку более важной. Его подход к физике не мог быть еще более отличным от подхода Бора. Дирак считал, что Бор излишне озабочен размышлениями, которые невозможно было ясно сформулировать; он блуждал вокруг одного и того же вопроса и не приходил ни к какому выводу.

Портрет Поля Дирака (вверху) и Нильса Бора. Они много общались во время пребывания Дирака в Копенгагене.

Поль Дирак (слева) с физиками Вольфгангом Паули (в центре) и Рудольфом Пайерлсом в университете Бирмингема.

По мнению Дирака, математическая формулировка была единственным способом точно определить физические понятия.

Различие взглядов Бора и Дирака ясно демонстрирует один дошедший до нас анекдот. Завершив исследование, Бор имел привычку диктовать своим молодым помощникам полученные результаты, что было настоящим кошмаром, поскольку ученый бесконечно менял аргументы и никогда не был удовлетворен способом изложения. Вскоре после приезда в Копенгаген Дираку выпала «честь» помогать блестящему Бору в работе над его новой статьей. Через несколько минут после начала «диктовки» Дирак пришел к выводу, что у него есть более полезные занятия, нежели бесконечное переписывание одной и той же фразы в ожидании того, когда Бор решит, является ли формулировка достаточно точной. Единственное замечание, сделанное Дираком, было кратким и ясным: «В школе меня учили, что нельзя начинать фразу, если не знаешь, как ее закончить». Так он дал понять Бору, что тому нужно найти другого помощника.

ТЕОРИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ

Дирак

оказался в Копенгагене во время разгара споров о вероятностной интерпретации волновой функции Шрёдингера. Месяцем раньше Борн разработал эту вероятностную интерпретацию, использовав квадрат значения волновой функции. Однако ее отвергли такие блестящие физики, как Эйнштейн и в том числе сам Шрёдингер. Зато вероятностная интерпретация была принята Бором и большинством его соратников. Хотя Шрёдингер доказал математическое соответствие волновой и матричной механики, значительная часть физиков полагала, что необходимо выработать единую схему, которая объединила бы различные формулировки квантовой механики, введя вероятностную интерпретацию волновой функции и ее соотношение с матричными операторами. Эта схема была разработана независимо друг от друга Дираком и Йорданом. Статья Дирака появилась в январе 1927 года под названием с Физическая интерпретация квантовой динамики». Она считается одной из самых важных и самых полных его работ. В частности, в статье была представлена самая строгая и самая общая математическая формулировка квантовой механики.

Дирак назвал ее «теорией преобразований». Ученый всегда испытывал некоторую гордость по поводу данной теории, которую он, по его собственным словам, шаг за шагом выстраивал, опираясь исключительно на логические рассуждения. «Эта работа доставила мне больше удовольствия, чем все другие, предыдущие или последующие»,— говорил Дирак. Коллеги признали общий и оригинальный характер его работы и были впечатлены неумолимостью его логики. Они увидели в ней «необычайный прорыв». Однако стиль Дирака остался неизменным, и такие крупные физики, как Оскар Клейн, не могли не заметить:

«Нам понадобилось некоторое время, чтобы понять его аргументы, поскольку на своих семинарах он тщательно писал на доске все формулы и рисовал графики, но практически не пояснял их. За ходом его рассуждений было действительно тяжело следить».

Матричная механика, или алгебра q-чисел, и волновая механика были очень разными теориями, которые описывали одни и те же природные явления. Требовалось соотнести их, чтобы показать, что они являются равнозначными. Дирак представил свою работу следующими словами:

«Вот общая схема, в ней сформулированы все вопросы, на которые квантовая теория может ответить однозначно. Она содержит всю физическую информацию, которую можно получить из квантовой динамики, и то, каким способом можно это осуществить».

Рассмотрим кратко некоторые основные аспекты новой теории Дирака. В рамках матричной механики Гейзенберга, Борна и Йордана утверждается использование канонических преобразований. «Каноническим преобразованием» называют любое преобразование, сохраняющее основные количественные отношения. Возьмем, например, случай с двумя квантовыми операторами, связанными с положением (q) и моментом (р), для которых qp -pq = ihI, где I является матрицей тождественного оператора. Каноническое преобразование заключается в определении оператора преобразования, который позволяет выстроить две новые динамические квантовые переменные (Р, Q), продолжающие соблюдать отношение квантования PQ - QP = ihI. Отношение между изначальными переменными и новыми выражается следующим образом:

Р=ТрТ^{– 1}, Q = TqT^{– 1}

где Т является оператором преобразования, а T^{– 1} — его обратной величиной, то есть TT^{– 1} = T^{– 1}T = I. Использование канонических преобразований подтверждается в процессе диагонализации гамильтониана, который позволяет определить энергии рассматриваемой системы.

Главной целью Дирака было определение «реального» значения оператора преобразования и его отношения к волновой функции Шрёдингера. Дирак заключил, что собственные функции волнового уравнения Шрёдингера соответствуют операторам преобразования, которые позволяют получить диагональный вид гамильтониана. Так физик соединил в одно целое формализм квантовых операторов Гейзенберга, Борна и Йордана и их правила квантования и формализм Шрёдингера с его дифференциальным уравнением и его волновой функцией. Теория преобразований вводила, кроме того, свойства и принципы, которые Дирак считал главными в любой квантовой теории. Эти свойства стали точкой отсчета значительной части его последующих работ.