Поль Дирак
Английский физик Поль Адриен Морис Дирак родился 8 августа 1902 года в Бристоле, в семье уроженца Швейцарии Чарлза Адриена Ладислава Дирака и англичанки Флоренс Ханны (Холтен) Дирак. В семье Дираков кроме Поля было еще двое детей -Реджинальд и Беатрис.
Отец преподавал в коммерческом училище Merchant Venturers (МЛ"). Он определил в свое учебное заведение и сына. Ученый позднее так рассказывал об этом:
«MV была великолепной школой естественных наук и современных языков. В ней не было ни латинского, ни греческого, чему я был очень рад. ибо я совсем не воспринимал древние культуры. Я был очень счастлив, что могу посещать эту школу. В MV я учился с 1914 по 1918 год, как раз во время Первой мировой войны. Многие парни покинули школу7 ради служения нации. В результате старшие классы совсем опустели. Чтобы заполнить пробел, стали продвигать младших в той степени, в какой они могли справиться с более сложной работой. Мне это было очень выгодно: я быстро «проскочил» младшие классы и в очень раннем возрасте познакомился с основами математики, физики, химии на вполне высоком уровне. Математику я учил по книгам, которые, как правило, содержали больше, чем знал класс. Быстрое продвижение вперед способствовало дальнейшим моим успехам. Но это мешало моему участию в спортивных играх, происходивших по средам во второй половине дня. Я играл в футбол и крикет: остальные участники игр были старше и сильнее меня, и мне не сопутствовала удача… Однако в школе ценили мою преданность науке».
Затем Поль учился в коммерческом училище в Бристоле. Потом с 1918 по 1921 год он изучал электротехнику в Бристольском университете и окончил его со степенью бакалавра наук. После этого Поль прошел еще и двухлетний курс прикладной математики в том же университете.
Среди его учителей на математическом факультете в Бристоле был математик Петер Фрезер. Он привил Дираку понимание красоты математики и ее логической стройности, в частности, красоты геометрии и ее проективной реализации.
В 1923 году, получив небольшую стипендию, Дирак смог стать аспирантом в Кембридже. Через полгода он напечатал свои первые две работы по статистической механике.
Затем Дирак поступил в аспирантуру по математике колледжа Св. Иоанна в Кембридже и в 1926 году защитил докторскую диссертацию. В следующем году Дирак стал членом научного совета того же колледжа.
«Фаулер вовлек меня в совсем новое поле деятельности, познакомив с атомом Резерфорда, Бора и Зоммерфельда, - вспоминает Дирак. - Прежде я ничего не слышал о теории Бора. У меня как бы открылись глаза. Казалось совершенно непостижимым, что уравнения классической электродинамики можно применять к атому. Я всегда считал атомы некими совершенно гипотетическими объектами, а здесь, в Кембридже, физики работали с уравнениями, которые на самом деле описывали строение атома.
Я очень быстро попал в самый центр проблем, связанных с изучением атомов. Самой сложной была задача о том, почему электронные орбиты стабильны. Почему электроны попросту не падают на ядро, как это следует из классической механики?
Со всей настойчивостью я принялся размышлять над этими проблемами, занимаясь одновременно и другими вопросами математики».
Дирак начал изучать уравнения Гейзенберга и Шрёдингера, как только те были опубликованы в 1925 году, высказав при этом несколько полезных замечаний. Одним из недостатков квантовой механики было то, что она была разработана лишь применительно к частицам, обладающим малой скоростью (по сравнению со скоростью света), а это позволяло пренебречь эффектами, рассматриваемыми теорией относительности Эйнштейна. Эффекты теории относительности, такие как увеличение массы частицы с возрастанием скорости, становятся существенными, только когда скорости начинают приближаться к скорости света.
На Сольвеевском конгрессе в октябре 1927 года к Дираку подошел Бор. Вот как вспоминает об этом сам Дирак: «Бор подошел ко мне и спросил: «Над чем сейчас работаете?» Я ответил: «Пытаюсь получить релятивистскую теорию электрона». Бор тогда сказал: «Но ведь Клейн уже решил эту проблему». Я был несколько обескуражен. Я стал объяснять ему, что решение задачи Клейна, основанное на уравнении Клейна-Гордона, неудовлетворительно, так как его нельзя согласовать с моей общей физической интерпретацией квантовой механики. Однако я так и не смог объяснить что либо Бору, так как наш разговор был прерван началом лекции и вопрос повис в воздухе».
Дирак был недоволен. Он стремился получить уравнения для одного электрона, а не для системы частиц с разными зарядами. Он добился своего, но решение его удивило: «Я обнаружил из этого уравнения, что электрон обладает спином, равным 1/2, и магнитным моментом и что значения спина и магнитного момента согласуются с экспериментальными. Полученный результат был совершенно неожиданным… Я считал, что простейшее решение получится для частицы без спина, а уже затем нужно будет ввести спин…»
В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон. Наблюдаемы только электроны с положительной энергией. «Электроны распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты».
«.. .Здесь скрывалась серьезная трудность. - пишет далее Дирак. - В то время были известны электроны, несущие отрицательный заряд, и протоны, несущие положительный заряд, и все были абсолютно уверены, что кроме электрона и протона других элементарных частиц в природе нет. Правда, Резерфорд иногда рассматривал возможность существования третьей частицы нейтрона. Но это предположение гипотетического нейтрона не имело никаких оснований. Резерфорд просто говорил о том, как был бы полезен нейтрон для экспериментаторов в качестве идеального снаряда для стрельбы по атомным ядрам: полет нейтрона не возмущался бы внешними электронами. Но никто не верил в реальность нейтрона. Всем казалось очевидным, что поскольку есть два сорта электрических зарядов, должна быть и два сорта частиц для их переноса. Никто не шел дальше».
Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам».
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой. Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц.
«Согласно теории Дирака, - писал Ф. Жолио Кюри, - положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях».
Существует и обратный процесс - «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны… Фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».
Выведенное английским ученым и опубликованное в 1928 году уравнение называется теперь уравнением Дирака. Оно позволило достичь согласия с экспериментальными данными. В частности, спин, бывший ранее гипотезой, подтверждался уравнением Дирака. Это было триумфом его теории. Кроме того, уравнение Дирака позволило предсказать магнитные свойства электрона (магнитный момент).
Дираку же принадлежит теоретическое предсказание возможности рождения электрон антиэлектронной пары из фотона достаточно большой энергии. Предсказанный Дираком антиэлектрон был открыт в 1932 году К.Д. Андерсоном и назван позитроном. Позднее подтвердилось и предположение Дирака о возможности рождения пары. Впоследствии Дирак выдвинул гипотезу о том, что и другие частицы, такие как протон, также должны иметь свои аналоги из антиматерии, но для описания таких пар частиц и античастиц потребовалась бы более сложная теория. Существование антипротона было подтверждено экспериментально в 1955 году Оуэном Чемберленом. В настоящее время известны и многие другие античастицы.
Уравнение Дирака позволило внести ясность в проблему рассеяния рентгеновского излучения веществом. Рентгеновское излучение сначала ведет себя как волна, затем взаимодействует с электроном как частица (фотон) и после столкновения вновь подобна волне. Теория Дирака дает подробно количественное описание такого взаимодействия.
Позднее Дирак открыл статистическое распределение энергии в системе электронов, известное теперь под названием статистики Ферми-Дирака. Эта работа имела большое значение для теоретического осмысления электрических свойств металлов и полупроводников.
Дирак предсказал также существование магнитных монополей - изолированных положительных или отрицательных магнитных частиц, подобных положительно или отрицательно заряженным электрическим частицам.
Дирак высказал предположение и о том, что природные физические константы, например гравитационная постоянная, могут оказаться не постоянными в точном смысле слов, а медленно изменяться со временем. Ослабление гравитации, если оно вообще существует, происходит настолько медленно, что обнаружить его чрезвычайно трудно, и поэтому оно остается гипотетическим.
Дирак и Шрёдингер получили Нобелевскую премию по физике 1933 года «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». В своей нобелевской лекции Дирак сказал, что, хотя с общефилософской точки зрения число различных типов элементарных частиц должно быть минимально, из экспериментальных данных известно, что число различных типов гораздо больше, более того, оно обнаруживает в последние годы весьма тревожную тенденцию к увеличению.
В заключение лекции лауреат указал на вытекающую из симметрии между положительными и отрицательными электрическими зарядами возможность существования «звезд… состоящих главным образом из позитронов и антипротонов. Возможно, одна половина звезд принадлежит к одному типу, а другая - к другому. Эти два типа звезд должны были бы обладать одинаковыми спектрами, и различить их методами современной астрономии было бы невозможно».
С 1932 года и до ухода в отставку в 1968 году он был профессором физики в Кембридже.
В 1937 году Дирак женился на Маргит Вигнер, сестре физика Юджина П. Вигнера. У них было две дочери.
Обычно принято считать Дирака молчаливым и не очень общительным человеком. Так оно и было. Он предпочитал работать в одиночку, и непосредственных учеников у него было мало. Но наряду с этим в нем уживалась способность к искренней и глубокой дружбе. Двух своих чуть ли не самых близких друзей нашел Дирак в Советском Союзе. Это были Петр Капица и Игорь Тамм.
До войны он часто посещал Москву. Поездки в нашу страну были для него радостным событием. Но в 1945 году, когда Академия наук СССР праздновала свое 220 летие, Дирака не выпустили из Англии, сославшись на его участие в военных работах.
О Дираке ходило много историй. Так. в одной из поездок в Дубну его спросили, какой у него любимый детектив (он сказал, что читает сейчас Агату Кристи). Ответ был такой: «Детектив не может быть любимым, он должен удивлять».
Мехра рассказывал, что ему пришлось завтракать вместе с Дираком в колледже Св. Джона. Мехра начал разговор с замечания, что сегодня очень ветрено. Дирак молча встал из за стола и пошел к выходу. Мехра испутанно стал соображать, чем он обидел маэстро. Но Дирак подошел к двери, приоткрыл ее и спокойно вернулся к столу. Сев, он сказал: «Да».
Последние годы жизни Дирака были спокойными. В 1969 году он ушел из Кембриджского университета по возрасту — администрация не сделала для него исключения из правил. Ученый уехал во Флориду, где работал в центре теоретической физики и в университете штата до конца своей жизни.
Во Флориде он сохраняет свою старую привязанность к долгим прогулкам в одиночестве. Но силы постепенно иссякли, прогулки сократились, а 20 октября 1984 года в Таллахасси наступает конец.