Темная сторона материи. Дирак. Антивещество
Шрифт:
Дирак получил диплом инженера в области электричества в 1921 году с наивысшими баллами по теоретическим предметам. Зато его оценки по прикладным дисциплинам были далеко не столь хороши. Поль получил самый низкий балл за практику, которую он проходил на заводе города Рагби летом 1920 года.
ОТКРЫТИЯ ГАМИЛЬТОНА
Уильям Роуэн Гамильтон (1805-1865), ирландский математик, физик и астроном, переформулировал уравнения механики Ньютона, основываясь на вариационном исчислении и принципе наименьшего действия: в любом природном явлении количество «действия» тяготеет к минимальному; другими словами, предмет перемещается из одной точки в другую по траектории, при которой действие принимает стационарное значение. Действие определяется через
Кватернионы
Гамильтон придумал также кватернион — состоящую из четырех элементов систему чисел, выражаемую в виде q = a + bi + cj + dk. Прогуливаясь по Королевскому каналу в Дублине 16 октября 1846 года, Гамильтон обнаружил основополагающее отношение, позволяющее определить правило умножения кватернионов: i2 = j2 = k2 = jk = -1. Умножение кватернионов не коммутативно; иначе говоря, результат зависит от порядка факторов. Гамильтон был убежден в важности кватернионов как базовых инструментов и для физики, и для математики, и потому посвятил свою карьеру практически исключительно применению кватернионов в динамике, оптике и астрономии. Они были забыты вместе с развитием векторного анализа. Формулировка квантовой механики Гейзенбергом с помощью некоммутирующих операторов, казалось, была напрямую связана с кватернионами; и тем не менее почти во всех исследованиях использовался язык матрицы (на самом деле эти системы эквивалентны). Дирак создал свою релятивистскую теорию электрона, ни разу не упомянув о кватернионе, хотя прекрасно знал о его существовании уже со времен учебы в университете Бристоля. Однажды один из студентов спросил его: «Профессор Дирак, Вы думали использовать кватернион, когда работали над релятивистской теорией электрона?» Несколько бесконечных секунд, казалось, Дирак был погружен в воспоминания и, наконец, ответил: «Нет». Разговор был закончен. Очень по-дираковски.
Брат Дирака жил в этом городе и работал на заводе. Некоторые его коллеги подчеркивали, что после данного инцидента отношения между двумя братьями сильно испортились.
Глубокий экономический кризис, поразивший Великобританию после Первой мировой войны, не позволил Полю Дираку найти работу по специальности. В сентябре 1921 года он приступил к изучению математики в университете Бристоля. Следующие два года, до лета 1923-го, Дирак посвятил себя исключительно наукам, в частности математике и физике. Врожденный талант и страсть к работе позволили ему закончить обучение за два года. Он получил возможность осуществить свое желание и изучить начертательную геометрию, а также механику Ньютона и электромагнетизм Максвелла. Также Поль изучил новую формулировку классической механики Уильяма Р. Гамильтона. Гамильтонова механика стала для Дирака основой при создании квантовой механики. Он также прослушал немало курсов о теории относительности и атомной теории.
Летом 1923 года Поль закончил обучение в университете Бристоля и получил стипендию, позволившую ему поступить в Кембриджский университет. Так начался новый этап в его жизни — как в личной (он впервые покидал родной дом и выходил из-под влияния отца), так и в профессиональной, поскольку Дирак обратился к карьере исследователя.
УНИВЕРСИТЕТ КЕМБРИДЖА
Узнав о своем принятии в Кембридж, Дирак сразу же попросил о работе под руководством профессора Эбенезера Каннингема (1881-1977), специалиста в области электромагнетизма и теории относительности. Поль вынашивал мысль развить теорию Эйнштейна. Однако Каннингем в тот год не брал студентов, и ему был назначен другой руководитель, профессор Ральф Фаулер (1889-1944). Это непредвиденное обстоятельство оказало серьезное влияние на жизнь Дирака и на развитие физики того времени. Каннингем был профессором старой школы, а Фаулер, зять Резерфорда, являлся основным представителем теоретической физики в Кембридже. Кроме того, он был единственным, кто поддерживал регулярные контакты с главными немецкими и датскими исследовательскими центрами, в частности с Нильсом Бором, который активно работал над развитием квантовой теории.
В отличие от Бристоля, у Кембриджа были серьезные научные традиции, университет являлся важным центром науки, в нем работали уважаемые исследователи и профессора, такие как Лармор, Томсон, Резерфорд, Эддингтон и Фаулер. Кроме того, теперь Дирак получил возможность общения с молодыми студентами (спустя несколько лет они стали знаменитостями): Чедвик, Блэкетт, Хартри, Капица, Леннард, Джонс, Томас, Слейтер, Леметр... В то время университет Кембриджа был эпицентром науки. В нем существовало множество клубов, и в каждом из них кипела научная деятельность: организовывались собрания, где обсуждались последние открытия, приглашались блестящие ученые для чтения лекций, посещались лаборатории, в которых проводились важные опыты. Дирак являлся завсегдатаем двух подобных клубов. Первый назывался
и был посвящен вопросам математической физики; второй основал молодой советский физик Петр Капица (1894— 1984), ученик Резерфорда. Позже Капица стал одним из самых близких Дираку людей и одним из очень немногих его друзей.
Профессора Фаулера в Кембридже не очень ценили в качестве научного руководителя; он много разъезжал, и студенты жаловались на то, что работать с ним трудно. Для Дирака же такой проблемы не существовало, поскольку он давно воспитал в себе привычку работать в одиночестве. Поль с самого начала оценил предоставленную ему автономность в изучении вопросов, которые он сам ставил перед собой. Дирак редко беседовал с Фаулером по поводу своих работ, зато часто обращался к нему, стремясь уведомить об их окончании.
Как бы то ни было, но под руководством Фаулера Дирак начал погружаться в новую квантовую теорию, о которой до сих пор имел лишь поверхностное представление. Он изучал атомные модели, разработанные несколькими годами ранее Бором и Резерфордом. Параллельно молодой человек продолжал углублять собственные знания математики с помощью «Аналитической динамики» Эдмунда Т. Уиттекера (1873-1956), ставшей для него одной из главных книг. В первые годы в Кембридже Дирак посещал также занятия Эддингтона по общей теории относительности и тензорному исчислению и курс Каннингема по электромагнетизму и специальной теории относительности. Даже если изначально исследования Поля были связаны с областью квантовой теории, очарование теории относительности не оставляло его.
Плодотворная научная среда Кембриджа и участие в разных видах деятельности помогли Дираку стать немного менее замкнутым, несмотря на то что он оставался закрытым человеком и поддерживал отношения лишь с немногими из студентов. Томас, один из его товарищей по Кембриджу, описывал Дирака следующим образом:
«Это был неразговорчивый человек. Когда его спрашивали о чем- то, он мог ответить: «О, это очень сложно», а через неделю появлялся с проработанным ответом».
Жизнь Дирака заключалась в работе и исследованиях. Большинство времени, с понедельника по субботу, он проводил в библиотеке, а по воскресеньям совершал длинные прогулки за городом, как всегда в одиночестве, чтобы, по его собственным словам, набраться сил перед новой рабочей неделей. Именно во время таких воскресных прогулок ученого посетили некоторые из самых блестящих его идей.
Усилия Дирака быстро начали приносить плоды. Через шесть месяцев после поступления в Кембридж он опубликовал свою первую статью в журнале «Записки Кембриджского философского общества» (Proceedings of the Cambridge Philosophical Society). В последующие два года также появилось шесть его статей на различные темы.
Я брал общую проблему, которую физика формулировала в нерелятивистской форме, и старался переформулировать ее согласно принципам теории относительности. Это напоминало игру. Иногда результат казался достаточно интересным для публикации.
Поль Дирак
Международное значение его статей было достаточно ограниченным, однако имя Дирака начало распространяться внутри сообщества британских ученых в области теоретической физики. В те же годы Дирак выработал свой стиль работы, которому следовал всю жизнь. Его статьи, созданные большей частью без соавторов и подписанные только его именем, характеризуются краткостью и прямотой изложения, концептуальной ясностью и логичностью. Дирак однажды сказал, что он всегда начинал писать только в том случае, когда в его голове складывалась общая и полная схема всей работы.