Книга Темная сторона материи. Дирак. Антивещество - Хуан Антонио Кабальеро Карретеро

Это свойство вещества известно под названием «корпускулярно-волнового дуализма»; оно означает, что оба поведения не исключают, а дополняют друг друга. Согласно гипотезе Луи де Бройля, такие частицы, как электрон, обладают обоими свойствами: волновым и корпускулярным. Интерференционный спектр, рассматривавшийся только как волновой эффект, должен был также присутствовать и в случае с электроном. Правда, прошли многие годы, прежде чем результаты опытов подтвердили это. Квантовая теория и физика вообще были на пороге самой большой революции в их истории, которая влекла за собой философские идеи, с трудом воспринимаемые в то время.

Для Дирака 1925 год стал особенным. Родилась новая квантовая теория, и весь свой творческий гений и внимание он посвятил ее основополагающим проблемам. В том же году в семье ученого случилась страшная трагедия: его старший брат покончил с собой.

ГЛАВА 2

Квантовая механика

Начиная с 1925 года квантовая механика со своими особенными и такими далекими от классической физики понятиями начала выстраиваться в последовательную теорию, позволяющую объяснить самые разные явления атомного мира. Дирак стал одним из ее творцов. С помощью нового и оригинального подхода он попытался создать солидную математическую основу для этой теории.

В мае 1925 года Нильс Бор посетил Кембридж, где провел большое количество семинаров по вопросам, связанным с квантовой теорией. Датский ученый был в то время самой важной фигурой в этой области физики; он являлся неиссякаемым источником идей и вдохновения для молодых исследователей, занимающихся данной темой. Бор напомнил о проблемах, поставленных квантовой теорией, и о своей неспособности их решить. Он также поделился своей глубокой неудовлетворенностью тем, что приходилось рассматривать свет в одних случаях как нечто, состоящее из частиц, а в других — как волновое явление. Бор был убежден в необходимости совершенно иного подхода, найти который, по его мнению, могли только молодые и блестящие умы.

На Дирака, присутствовавшего на семинарах, личность датского ученого произвела большое впечатление, равно как и сила и убедительность его размышлений — настоящий поток идей, порой довольно трудно усваиваемый. Но Дирак критически относился к тому, как Бор занимался физикой. Его никогда особо не привлекал принцип соответствия датского ученого, поскольку он не был выражен ясным образом в математических формулах. Дирак выказывал некоторую сдержанность в отношении аргументов Бора, утверждая, что они слишком сконцентрированы на размышлениях философского характера и им не хватает солидной математической основы.

Спустя два месяца, в конце июля 1925 года, молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг, который был старше Дирака всего на восемь месяцев, приехал в Кембридж, где провел семинар по атомной спектроскопии в рамках квантовой теории того времени (теории Бора — Зоммерфельда). В Кембридже никто не знал, что Гейзенберг предложил новую формулировку квантовой теории. Его работу еще не опубликовали, и немецкий физик никому не рассказал о ней, за исключением Фаулера в частной беседе. Фаулер попросил его прислать экземпляр статьи сразу же после публикации и, как только получил его, в конце августа, сразу же переслал Дираку с запиской: «Что ты думаешь по этому поводу? Жду твоих комментариев».

Хотя Бор произвел на меня огромное впечатление, его аргументы носили качественный характер. Я же искал аргументов, которые могли быть выражены в виде уравнения. Работа Бора редко выражалась подобным образом.

Поль Дирак

С того момента в физике случился невероятный поворот — и в научной жизни Дирака тоже, поскольку он наконец получил возможность сконцентрироваться на «основополагающих» проблемах. Среди молодых и самых блестящих физиков началось настоящее соревнование за выстраивание нового видения природы, которое объяснило бы поведение микроскопического мира и для которого интуиция больше не являлась хорошим советником. В результате такого соревнования разные группы и исследователи получили независимо друг от друга одинаковые результаты — позже или раньше всего на несколько месяцев или даже на несколько недель.

Между 1925 и 1927 годами в трех странах появились три разные по виду формулировки новой квантовой теории: в Геттингене (Германия) Гейзенберг, Борн и Йордан разработали «матричную механику», в Цюрихе (Швейцария) Шрёдингер создал «волновую механику», а в Кембридже (Англия) Дирак представил собственное видение новой теории. Упомянутых физиков, а также Паули, можно считать основателями квантовой механики. Другие ученые тоже работали в данной области и внесли вклад в ее развитие; но эти шестеро первыми заложили фундамент нового научного здания.

ГЕЙЗЕНБЕРГ: РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Сначала Поль Дирак не смог осознать истинное значение статьи Гейзенберга. Напротив, она показалась ему преувеличенно сложной и несколько искусственной. Только углубившись в детали, он понял смысл революционного изменения, предложенного немецким физиком. Дирак начал усиленно изучать работу Гейзенберга, пытаясь понять ее и одновременно улучшить и превзойти.

Предложенная Гейзенбергом новая теория на самом деле противоречила принципу относительности, поэтому главной целью Дирака стало расширить данную теорию и снять это противоречие. Подобное намерение было исключительно амбициозным для того времени, даже для самого Дирака. Скоро ему пришла в голову главная идея, позволившая переформулировать теорию Гейзенберга. Она была связана с одним из аспектов теории, который сам немецкий физик считал достаточно спорным: некоммутативность переменных.

В чем заключалась новая теория, предложенная Гейзенбергом? Что сразу же сделало ее столь революционной? Косвенно ответ на данный вопрос давался во вступлении к статье:

«[Речь идет о том, чтобы] заложить основы квантовой механики, основываясь исключительно на соотношениях между величинами, которые являются, в принципе, наблюдаемыми».

В классической теории понятие траектории частицы четко задано, и траектория даже может быть определена. Модель атома Бора состоит из электронов, движущихся вокруг ядра по определенным траекториям — орбитам электрона.

ГЕЙЗЕНБЕРГ И ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

В 1925 году Вернер Гейзенберг (1901-1976) опубликовал основополагающую статью, которая ознаменовала рождение квантовой механики.

Затем с Максом Борном и Паскуалем Йорданом он разработал матричную квантовую механику. В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, который выражается формулой

Δκ - Δρ ≥ ђ/2.

В квантовой механике этот принцип устанавливает предел точности, с которой может быть измерена пара величин, например местоположение и импульс. Принцип неопределенности, лежащий в основе «копенгагенской интерпретации» квантовой теории, является одним из основополагающих принципов современной физики. Он косвенно заключает в себе объяснение взаимодействия частиц. Принцип Гейзенберга не является ограничением, связанным с погрешностью измерений; наоборот, он — важнейшее следствие квантовой теории. Даже в случае идеального опыта принцип неопределенности все равно будет действовать.