Темная сторона материи. Дирак. Антивещество
Шрифт:
Что такое «тождественные частицы» в квантовой теории и в чем именно состоит вклад Дирака? Чтобы ответить, нам надо ненадолго вернуться в предыдущий 1925 год и задаться другим вопросом: почему мы можем объединять химические элементы в определенные группы по их химическим свойствам? Паули объяснил, что химические свойства являются следствием того, каким образом электроны располагаются на соответствующих орбитах. Каждый электрон описывается серией квантовых чисел, характеризующих волновую функцию. Эти квантовые числа определяют энергию электрона, его орбитальный момент и новое свойство, которое пришлось ввести для объяснения результатов последних опытов, — «спин» (мы подробно рассмотрим его в следующей главе). Паули сформулировал следующий принцип:
«Два электрона
Данный принцип объяснил, почему атомные электроны располагаются на разных орбитах, занимая только те, которые свободны. На самом деле принцип Паули позволяет понять, почему вещество является таким, какое оно есть.
Другим важным свойством квантового мира является то, что мы не можем различить тождественные частицы. В классической физике положение частицы и ее состояние движения настолько прекрасно определяются, что даже при большом количестве частиц можно узнать, какое положение занимает каждая из них. Напротив, в квантовом мире положение четко определить невозможно и, соответственно, в случае с двумя электронами (назовем их a и b) и двумя квантовыми состояниями (m и n) невозможно узнать, в каком именно состоянии находится каждый электрон. На самом деле ситуация, соответствующая электрону a в состоянии m (обозначим ее am) и электрону b в состоянии n (bn)> имеет такую же вероятность, как и обратная комбинация, an,bm. Если использовать более техническую терминологию, обе комбинации представляют одно и то же квантовое состояние и таким образом должны быть пропорциональны, с коэффициентом пропорциональности +1 или -1. Добавим, что если мы поменяем два раза подряд положение двух электронов, то полученная комбинация должна быть тождественна изначальной комбинации.
Дирак заключил из этого, что наиболее общим описанием квантового состояния должна быть линейная комбинация двух возможностей: ambn ± anbm. Если мы рассмотрим знак «+» и поменяем состояния тип или электроны а и 6, то получим один и тот же результат. Данное свойство называется «симметричной комбинацией». Наоборот, знак «-» соответствует антисимметричной комбинации, в которой изменение состояний и электронов означает изменение знака.
Поведение двух решений, таким образом, очень разное. Какое решение соответствует принципу запрета Паули? Дирак заключил, что единственно возможным ответом является антисимметричная комбинация. В этом случае, если два электрона окажутся в одном состоянии (то есть если m = n), полученная комбинация тождественна нулю. Иначе говоря, такого состояния не существует.
Дирак распространил свое исследование на молекулы газа, ошибочно предположив, что их можно описать как электроны с антисимметричными волновыми функциями. С помощью статистических методов он в итоге получил энергетическое распределение молекул. Кроме того, он показал, что кванты света или фотоны могут быть описаны через симметричные комбинации. В отличие от электронов, принцип запрета Паули не применялся к излучению: фотоны собирались в группы и стремились принять одинаковое состояние. Описание этого типа частиц как симметричных комбинаций привело Дирака к «статистике Бозе — Эйнштейна», появившейся несколькими годами раньше.
ДИРАК И ЭФФЕКТ КОМПТОНА
В 1916 году Эйнштейн ввел понятие «кванта света», или «фотона», обладающего определенной энергией и моментом импульса. Опыт, который наиболее очевидно показал корпускулярную природу света, был осуществлен в 1923-1924 годах американским физиком Артуром X. Комптоном (1892-1962). Параллельно Луи де Бройль высказал идею о дуалистической природе (корпускулярно-волновой) излучения. Рассеивая лучи определенной частоты графитом, он заметил, что у излучения длина волны меняется в зависимости от угла рассеивания (как показано на рисунке). Его результат противоречил классической теории излучения. Комптон объяснил изменение длины волны рассеянного излучения, рассматривая процесс как упругое столкновение фотона (частицы) и электрона графита.
Анализ Дирака
Дирак знал об опыте Комптона и решил применить свою теорию к этому явлению. Ему удалось воспроизвести изменение длины волны рассеянного излучения; кроме того, ученый, рассчитав интенсивность данного излучения, обнаружил, что его результат слегка отличался от результата Комптона 1923 года. Его работа, опубликованная в конце апреля 1926 года, была восторженно встречена в сообществе физиков. Однако слишком лаконичный стиль письма Дирака, а также трудный математический язык сделали его труды практически не поддающимися расшифровке для большинства коллег. Дирак понял и указал: его вычисления различаются с данными Комптона, и из этой разницы «следует, что абсолютная величина показателей Комптона на самом деле примерно на 25% меньше». Почти сразу после публикации статьи Комптон сообщил в письме Дираку: новые опыты, осуществленные в университете Чикаго, полностью подтвердили его теорию.
СТАТИСТИКА ФЕРМИ — ДИРАКА
Дирак опубликовал свою статью в августе 1926 года, вскоре после того, как Гейзенберг закончил похожее исследование атома гелия. Сразу же после выхода статьи Дирак получил письмо от итальянского физика Энрико Ферми, в котором были такие слова:
«В своей недавней работе Вы развили теорию идеального газа, основываясь на принципе запрета Паули. Я хотел бы привлечь Ваше внимание к похожей статье, которую я опубликовал в начале 1926 года».
Ситуация была достаточно неловкой для Дирака, который тут же извинился перед Ферми, признав, что видел его работу, но в то время не обратил на нее должного внимания:
«Когда я читал работу Ферми, я не смог оценить должным образом ее значение в связи с основными проблемами квантовой механики, которые меня интересовали. Во время написания собственной статьи об ассиметричных волновых функциях я просто забыл о его работе».
На рисунке изображено поведение бозонов (слева) и фермионов (справа). Все бозоны (целый спин) стремятся занять состояние минимальной энергии. Фермионы (полуцелый спин) подчиняются принципу запрета Паули и не могут занимать состояния, имеющие те же квантовые числа.
Снова другой физик опередил Дирака в решении научной проблемы. Однако, как и в прошлый раз, ученый не огорчился, а его работа, несмотря ни на что, была хорошо принята в научном сообществе. С тех пор статистика, применяемая к системам таких частиц, как электроны, называется «статистикой Ферми — Дирака». Позднее, в 1947 году, Дирак ввел понятия «фермионов» и «бозонов» для частиц, которые подчинялись правилам статистики Ферми — Дирака и Бозе — Эйнштейна (см. рисунок на предыдущей странице).
Хотя работа Дирака и была принята с большим интересом, кое-кто из физиков счел ее слишком сложной для понимания, как многие его прошлые и будущие статьи. Шрёдингер смиренно, но не без иронии заметил Бору:
«Я нашел работу Дирака очень важной, хотя многие места не понял. [...] У Дирака оригинальный и подходящий ему способ мыслить, который — по той же самой причине — наверняка приведет его к самым важным и неожиданным результатам, пусть даже они останутся непонятными для нас. Дирак не имеет представления о том, насколько сложно обыкновенным людям воспринимать его работы».