Виктор де Касто - PRO Антиматерию
Значение теории относительности Эйнштейна для природы энергии просто поразительно. Во-первых, массивные предметы в покое содержат количество энергии mc2, пойманное в ловушку внутри них. Во-вторых, даже что-то не имеющее массы, например фотон, который движется со скоростью света, будет иметь энергию благодаря своему движению. Если энергия в целом законсервирована, то для энергии в луче света возможно трансформироваться в энергию, пойманную в ловушку в материи.
Но как может электрон с отрицательным электрическим зарядом появиться из энергии в струе света, который не имеет электрического заряда? И именно здесь мы начинаем говорить о двух формах материи, существующих в природе. Отрицательно заряженный электрон имеет положительно заряженную форму, известную как позитрон. Энергия фотона, частицы света, оказывается в ловушке в этих двух взаимодополняющих частях вещества. Этот процесс также может происходить наоборот: электрон и позитрон могут аннигилировать друг друга, энергию каждого возьмут фотоны, которые несутся со сцены разрушения на скорости света.
Появление вещества из чистой энергии, чистейшей формой которой является свет, огромно в своих масштабах. В случае антиматерии, отрицательного образа материи, мы вступаем в контакт с богами созидания. Здесь мы начинаем видеть, как наша Вселенная появилась в результате Большого взрыва. Невероятный жар и свет с огромной энергией были заморожены, или пойманы в ловушку в уравновешенных частях материи и антиматерии. Теория относительности Эйнштейна с ее глубоким значением для природы энергии дает основания для предположений о том, как материя создавалась в начале времен. Важной частью этого является идея о том, что у материи есть зеркальный образ – антиматерия. Теория относительности объясняет подсчеты энергии, а при соединении теории относительности с квантовой механикой открывается вся сила природы. Из этого союза двух великих теорий ХХ века родилась идея антиматерии.
Поль Дирак и море Дирака
О выдающемся ученом Поле Дираке стоит рассказать в отдельной главе. Несомненно, он этого достоин.
Пожалуй, за исключением Эйнштейна, ни один человек не оказал настолько определяющего влияния, причем за относительно короткий период времени, на развитие физики. Он заложил основы квантовой физики в целом, квантовой теории поля и теории элементарных частиц. Дирак также занимался общей теорией относительности, разработал квантовую статистику (которая называется статистикой Ферми—Дирака), релятивистскую теорию движения электрона (уравнение Дирака), предсказавшую позитрон. Именно благодаря Дираку мы сегодня говорим об аннигиляции и рождении пар. Он заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации. Также отметим, что для Дирака всегда была важна «математическая красота». Дираку принадлежит известная фраза «Физические законы должны обладать математической красотой».
Дирак родился в Бристоле в семье учителя. Отец его был швейцарцем, и поэтому мальчик с детства был двуязычным – дома в равной степени говорили и на английском, и на французском языках. Правда, сам Поль Дирак на протяжении жизни (или научной карьеры) славился своей немногословностью и фактически не умел общаться с людьми. Его отличало очень серьезное отношение к любой теме обсуждения, нетривиальность ассоциаций и мышления в целом, стремление к предельно четкому выражению мыслей, рациональное отношение к проблемам, причем и к абсолютно не связанным с научным поиском. Дирак был равнодушен к комфорту, вкусной еде, не любил внимания к себе и из-за этого даже хотел отказаться от получения Нобелевской премии.
Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) – английский физик, один из создателей квантовой механики
Поль Дирак закончил инженерный факультет Бристольского университета. Поступить в Кембриджский университет ему не удалось, правда, в дальнейшем он закончил аспирантуру именно в Кембридже. Его всегда больше всего интересовала математика, но он неоднократно отмечал, что если бы не инженерное образование, он никогда не добился бы успеха в последующей деятельности. Большое влияние на Дирака оказало знакомство с теорией относительности, которая в те годы вызывала в обществе огромный интерес. Первоначальные сведения о теории он получил на лекциях одного профессора философии, после чего обратил пристальное внимание на геометрические представления о мире. Дирак хотел заниматься теорией относительности в аспирантуре Кембриджского университета. Но его научным руководителем был назначен известный теоретик Ральф Фаулер, специалист по статистической механике. Первые работы Дирака посвящены вопросам статистической механики и термодинамики. Фаулер познакомил Дирака с совершенно новыми идеями атомной физики, которые выдвинул Нильс Бор. Идеи Бора и знакомство с ним произвели на Дирака огромное впечатление, он заявлял, что считает их самым грандиозным шагом в истории развития квантовой механики. В дальнейшем Дирак также говорил, что на него очень большое влияние оказало общение с Бором и мысли Бора вслух – тот очень любил думать вслух и уходил в своих рассуждениях далеко от темы, при этом высказывая очень интересные суждения. Также большое впечатление на Дирака произвели идеи Вернера Гейзенберга, которые легли в основу матричной механики.
После того как появилась новая теория Эрвина Шредингера на основе представлений о волновых свойствах вещества, Дирак занялся и ее изучением. Правда, он вначале посчитал ее излишней, так как уже существовал подход, позволявший получать правильные результаты в этой области. Шредингер показал, что любое уравнение волновой механики можно представить в матричной форме и, наоборот, от заданных матриц можно перейти к волновым функциям. Он выпустил несколько основополагающих работ по волновой механике, и значение волновой механики Шредингера было очень быстро оценено научным сообществом. Одним из главных вопросов, поставленных Шредингером, был вопрос о том, что же колеблется в атоме, то есть пытался определить свойства волновой функции. Вначале он считал ее вещественной, однозначной и дважды дифференцируемой функцией, однако в дальнейшем допустил для нее возможность комплексных значений, а также полагал, что частицы можно наглядно представлять как волновые пакеты, составленные из набора собственных функций. Шредингер до конца жизни отстаивал необходимость наглядного представления волновой механики.
Вскоре Дирак понял, что теории Гейзенберга и Шредингера связаны между собой и дополняют друг друга. Впервые Дирак применил теорию Шредингера, рассмотрев задачу о системе тождественных частиц, и обнаружил, что тип статистики, которой подчиняются частицы, определяется свойствами симметрии волновой функции.
Дирак защитил диссертацию под названием «Квантовая механика» в мае 1926 года и вскоре отправился в Копенгаген в Институт Нильса Бора, где наконец познакомился и близко сошелся с последним. В Копенгагене Дирак начал заниматься вопросами теории излучения. Дирак продемонстрировал эквивалентность двух различных подходов к рассмотрению электромагнитного поля, основывающихся на представлении о световых квантах и на квантовании компонентов поля. Ему также удалось получить выражения для коэффициентов Эйнштейна как функций потенциала взаимодействия и объяснить спонтанное излучение. В работе «Квантовая теория испускания и поглощения излучения» он ввел и объяснил новый физический объект – квантовое поле, а метод вторичного квантования лег в основу построения квантовой электродинамики и квантовой теории поля.
Дирак приобрел широкую известность в научных кругах, его стали приглашать на различные конгрессы, в 1927 году избрали членом совета колледжа Святого Джона Кембриджского университета, где он учился в аспирантуре. В это время Дирак был занят построением адекватной релятивистской теории электрона. Ему потребовалось несколько недель работы, чтобы вывести уравнение, которое получило название «Уравнение Дирака», оно оказалось очень удачным, поскольку естественным образом включает спин электрона и его магнетизм. Дирак включил в статью «Квантовая теория электрона» основанный на полученном уравнении расчет спектра водородного атома, который полностью согласовывался с экспериментальными данными. Дирак разработал теорию о вероятности перехода электрона между состояниями с положительной и отрицательной энергиями. Попытки искусственно исключить эти переходы ни к чему не привели. В 1930 году Дирак предположил, что все состояния с отрицательной энергией заняты. Это соответствует вакуумному состоянию с минимальной энергией. Если же состояние с отрицательной энергией оказывается свободным («дырка»), то наблюдается частица с положительной энергией. При переходе электрона в состояние с отрицательной энергией «дырка» исчезает, то есть происходит аннигиляция. Из сделанных выводов следовало, что эта гипотетическая частица должна быть во всем идентичной электрону, за исключением противоположного по знаку электрического заряда. В то время такая частица не была известна.
