Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Коллектив авторов

В личном плане большие перемены в жизни Дирака наступили, когда ему уже было более 30 лет: смерть отца в 1936 году, которая стала для него освобождением, его женитьба в 1937 году, рождение детей и переезд во Флориду. Дирак продолжал научную работу, но был вынужден сочетать ее с новыми семейными обязанностями. На его отношения с коллегами, особенно с русскими и немецкими, повлияли страшные годы Второй мировой войны и темный период холодной войны. Именно тогда Дирак стал говорить о том, что в основе всех научных открытий должен лежать «принцип математической красоты». Этот принцип стал самым дорогим его кредо. В чем же он заключался?

Дирак является одним из самых

блестящих физиков в истории этой науки, однако его имя остается малоизвестным. Работы ученого стали фундаментом современной физики, а об открытом им антивеществе сегодня знают все — по крайней мере по книгам и фильмам в жанре научной фантастики. Впрочем, кто бы мог представить, что античастицы позволят усовершенствовать медицинские технологии, столь полезные для общества?

МАГНИТНЫЙ МОНОПОЛЬ

В школе нас учат, что у магнита есть два разных полюса. Если его разделить на две части или больше, каждая из этих частей также будет иметь два полюса — как уменьшенное подобие первого магнита. Но обосновано ли данное утверждение? Наряду с существованием электрона, частицы — носительницы элементарного электрического заряда, можно ввести и понятие магнитного монополя как частицы — носительницы изолированного магнитного заряда и представить существование магнита с одним полюсом. В статье 1931 года (в которой формулировалась идея антиэлектрона) Дирак выдвинул и гипотезу магнитного монополя.

Он не первым озвучил подобную идею: гораздо раньше, в XIX веке, физики уже выдвигали гипотезу о существовании такой частицы, осознавая, что оно противоречит основополагающим уравнениям классического электромагнетизма. Уравнения Максвелла содержат заметную асимметрию между электрическим полем, связанным с плотностью электрического заряда и электрического тока, и магнитным полем, для которого подобные величины не определены. Кроме того, это согласуется с введением векторного потенциала для описания магнитного поля — метода, использованного для квантовой теории в работах Йордана, Гейзенберга и Паули. Это объясняет, почему магнитные заряды никогда не изучались в рамках квантовой теории до работ Дирака в 1931 году.

Изображение магнита с двумя полюсами и силовых магнитных линий, создающих магнитное поле.

Целью Дирака было не доказательство существования монополя, но нахождение объяснения «квантованию» электрического заряда и обоснование значения постоянной тонкой структуры.

Он писал: «Эта работа главным образом опирается на существование минимального электрического заряда». Дирак ввел плотность магнитного заряда и плотность магнитного тока по образцу соответствующих электрических величин и показал, что квантовая теория «не исключает существование изолированных магнитных полей».

Кроме того, он получил простое соотношение между значениями электрического и магнитного зарядов. Это соотношение включало постоянную Планка и делало очевидным тот факт, что существование магнитного монополя возможно при условии квантования электрического заряда. Несмотря на открытие подобного соотношения, Дирак счел результат «недостаточно оправдавшим надежды». Он искал квантовое условие, которое позволило бы ему прямо определить элементарный заряд. Ученый писал:

«Невозможно изменить теорию, поскольку в ней нет ни одного произвольного элемента. Объяснение значения элементарного электрического заряда требует совершенно новаторской идеи».

Дирак закончил свою статью вопросом о том, почему изолированные магнитные поля никогда не наблюдались. Выведенное им соотношение между электрическим и магнитным зарядами позволило ему определить минимальное значение магнитного заряда через заряд электрона. Он получил следующий результат:

M_min = 137e/2.

Иначе говоря, магнитный заряд был примерно в 70 раз больше элементарного электрического заряда. Дирак интерпретировал это значение как результат присутствия большой силы притяжения между магнитными полями с противоположными знаками, что объясняло, почему их трудно разделить и почему, таким образом, они не были установлены.

ЭВОЛЮЦИЯ МАГНИТНОГО МОНОПОЛЯ

Несмотря на интерес прессы к исследованиям Дирака, связанным с магнитным монополем, научное сообщество физиков, как правило, игнорировало его результаты. По правде говоря, сам Дирак вернулся к данной теме лишь много времени спустя, в 1948 году. Но и впоследствии он продолжал держаться в стороне от этих исследований, даже после начала разговоров о том, что монополи были обнаружены экспериментально. Его отношение не изменилось и в 1970-1980-е годы, когда теория Большого взрыва снова ввела в обиход идею изолированного магнитного поля. Большинство экспериментов по его обнаружению провалились. Но в 1982 году испанский физик Блас Кабрера, профессор Стэнфордского университета (Калифорния), удивил научное сообщество, заявив, что обнаружил доказательства существования магнитного монополя. Его утверждение не могло быть ни подтверждено, ни опровергнуто. Гипотетическое существование новой частицы, таким образом, не было принято, и даже сегодня нет никаких серьезных экспериментальных доказательств существования магнитного монополя.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

Дирак, несомненно, имел представление об исследованиях в области космологии, но он не выказывал никакого интереса к ним до 1937 года, когда в журнале Nature была опубликована его короткая статья под названием «Космологические постоянные». Он взял в качестве отправной точки гипотезу Леметра: «Вселенная родилась в далеком прошлом и находится на пике расширения». Его интересовало, являются основные физические постоянные действительно постоянными или же они меняются со временем, в космологическом масштабе. Дирак ввел некоторые астрономические «расширения», соответствующие разным величинам, связанным с описанием Вселенной в крупном масштабе, и предположил, что между ними должно быть простое отношение. Вот числа, с которыми работал ученый.

1. Возраст Вселенной в атомных единицах времени (время, которое необходимо свету для прохождения диаметра электрона): ~2 х 10³⁹.

2. Отношение между электрической силой и гравитационной силой, существующей между электроном и протоном: ~10³⁹.

3. Общее число протонов и нейтронов во Вселенной: ~10⁷⁸.

Дирак был убежден, что отношения между приведенными выше астрономическими числами не являются случайными. Он считал, что эти величины зависят от развития Вселенной: