Страница 2 из 31
Период с 1925 по 1933 год известен как «героический» в жизни Дирака. Благодаря своей научной деятельности он стал одним из крупнейших физиков в истории. Всего за восемь лет из совершенно неизвестного ученого Дирак превратился в лауреата Нобелевской премии. Слава не изменила его привычек, он остался таким же отстраненным и недоступным — как для широкой публики, так и для своих студентов и коллег. За исключением физики и двух своих серьезных увлечений — путешествий и прогулок в горах, — Дирак не выказывал никакого интереса к любой другой деятельности или области знания. Его жизнь вращалась вокруг работы и научных публикаций; написание его биографии, таким образом, сводится по большей части к комментированию трудов ученого. Это и есть главная цель данной книги. В следующих главах мы представим и объясним ключевые научные открытия Дирака. Однако для лучшего понимания работы Дирака нужно знать и основные события его жизни.
Работы ученого во время его «героического периода» окончательно изменили физику того времени и заложили основы для будущего развития теоретической физики. На самом деле практически невозможно понять современную физику без учета вклада Дирака. Какими были его главные научные свершения и почему они считаются настолько важными? Дирак является одним из основателей квантовой физики. Независимо от немецких коллег он разработал новый формализм квантовой теории — «квантовую алгебру». Дирак придал квантовой теории самую строгую и универсальную математическую форму — «самое прекрасное представление квантовой механики», по словам Эйнштейна. Его теория преобразований включает три знаменитых формализма квантовой теории: матричную механику, волновую механику и квантовую алгебру. Квантовая теория благодаря Дираку получила единый и последовательный подход, а также физическую интерпретацию волновой функции. Таким образом, Дирак ввел в обиход представления и понятия, которые являются частью используемого сегодня языка любого текста по квантовой механике. Каждый студент, изучающий физику, должен знать «обозначения Дирака», или «обозначения бра и кет» и свойства функции (функции Дирака), прежде чем приступить к квантовой теории.
Самыми большими открытиями британского ученого, поразившими его коллег, стали, наверное, выведение квантового релятивистского уравнения электрона и теория взаимодействия излучения и вещества. Впрочем, оба эти открытия взаимосвязаны. Приложение релятивистской теории к квантовому миру ясно показывает, в чем заключается главная проблема: количество частиц не сохраняется. Принцип неопределенности Гейзенберга и принцип эквивалентности массы и энергии допускают существование процессов, во время которых частицы постоянно рождаются и разрушаются. Даже если это явление присутствовало в релятивистском уравнении электрона, Дираку понадобилось несколько лет для того, чтобы полностью осознать его. Вместе с уравнением Дирака появился мир античастиц, а вместе с ним возник способ объяснения и описания взаимодействия излучения с веществом. Сегодня стандартная модель считается актуальной «парадигмой» физики. Квантовая теория поля стала концептуальной и математической основой, позволяющей нам описать поведение природы, начиная с ее основополагающих составляющих. Огромный вклад Дирака в физику заключается в том, что он заложил фундамент и ввел в обиход главные понятия, которые позволили развить квантовую теорию поля и теорию элементарных частиц.
Связь квантового релятивистского уравнения электрона и квантовой теории излучения породила квантовую электродинамику — теорию, объясняющую поведение электронов и антиэлектронов и то, как они взаимодействуют со светом и между собой. Дирак указал физике направление развития. Он первым заговорил о взаимодействии частиц как о процессе обмена фотонами, первым сослался на понятия эффективной массы и эффективного заряда, равно как и на метод перенормировки. Работы, осуществленные им в «героический период», составляют основу квантовой теории излучения. Они послужили источником вдохновения для многих физиков, которые спустя 20 лет развили его идеи в «новую» квантовую электродинамику. Эта физическая теория остается одной из самых точных вплоть до наших дней. Именно квантовая теория поля стала великим наследием Дирака и одновременно, как мы увидим, его самым большим разочарованием.
В книге «Великие физики», написанной Уильямом Кроппером, собраны биографии некоторых важнейших представителей этой науки. Каждому жизнеописанию предшествует одна простая фраза, заключающая в себе основное качество или главную характеристику личности. Фраза перед биографией Дирака представляет собой одно-единственное уравнение (оно же воспроизведено и на мемориальной доске в Вестминстерском аббатстве). Редко случается такое отождествление физика и уравнения, исключение представляет собой лишь Эйнштейн и его знаменитое соотношение энергии и массы. Но глобальная разница заключается в том, что все знают формулу Эйнштейна, тогда как уравнение Дирака никому не известно — как того всегда и хотел Дирак. Речь идет о формально простом и лаконичном уравнении: (i·-М) = 0. Однако оно заключает в себе неожиданное открытие — антивещество, и объяснение решений уравнения Дирака привело к настоящей революции.
1902 Поль Адриен Морис, сын Шарля Адриена Л. Дирака, швейцарского эмигранта и преподавателя французского, родился в Бристоле (Англия) 8 августа.
1918 Начинает учебу на инженерном факультете в университете Бристоля и в 1921 году получает диплом.
1921 Изучает прикладную математику в университете Бристоля.
1923 Поступает в университет Кембриджа со стипендией Отдела научных и промышленных исследований. Начинает изучать квантовую теорию под руководством Ральфа Фаулера.
1925 Знакомство с работами Гейзенберга знаменует поворот в жизни Дирака. Начинает публиковать свои исследования в области квантовой механики и становится одним из «основателей» новой теории.
1926 Защита докторской диссертации. Первые поездки в Копенгаген и Геттинген. Публикует свои первые работы, посвященные взаимодействию излучения и вещества.
1928 Публикация статьи Дирака «Квантовая теория электрона» с первым релятивистским квантовым уравнением. Эта невероятно успешная работа порождает одновременно и большую путаницу: что делать с содержащимися в уравнении состояниями отрицательной энергии?
1929 Первые поездки в США и Японию.
1930 Дирак избран членом Королевского общества. Опубликованы его «Принципы квантовой механики», которые становятся основной книгой по этому предмету.
1931 Заявляет о существовании антиэлектрона и магнитного монополя.
1932 Занимает почетную Лукасовскую кафедру математики университета Кембриджа.
1933 Вместе со Шрёдингером получает Нобелевскую премию по физике «за открытие новых продуктивных форм атомной теории».
1937 Женится на Маргит Вигнер, сестре знаменитого теоретика физики Юджина П. Вигнера, матери двоих детей — Джудит и Габриеля. В этом браке родятся еще две девочки — Мари Элизабет и Флоренс Моника.
1939 Получает королевскую медаль Королевского общества. В последующие годы становится членом главных научных академий мира.
1969 Оставляет Лукасовскую кафедру математики университета Кембриджа и переезжает в США.
1972 Назначен профессором университета Таллахасси, Флорида.
1984 Умер 20 октября в Таллахасси, там же и похоронен.
ГЛАВА 1
Первые годы
В конце XIX века в области физики произошла настоящая революция, которой способствовало появление, с одной стороны, теории относительности, содержавшей новую концепцию времени и пространства, и с другой — квантовой теории со странными и поразительными законами. Самые ранние годы Дирака совпали с этими глубокими изменениями.