Охотники за частицами

Дирак разглядывает горизонты. Его внимание привлекает холм неподалеку. Верхушка холма теряется в тумане, но холм не кажется недоступным. Неприятно то, что он загораживает внушительную часть горизонта.

Дираку только двадцать с немногим лет, и он полон юношеского задора. Он решает отколоться от основного отряда альпинистов и в одиночку покорять холм. На языке физики сей холм называется — «синтез квантовой механики и теории относительности».

Старая квантовая теория Нильса Бора позволила подсчитать, что электроны в атомах движутся с весьма высокими скоростями — в десятки тысяч километров в секунду. Правда, это еще далековато от скорости света, которая составляет триста тысяч километров в секунду.

Теория относительности Альберта Эйнштейна — она в тот год может отметить свое двадцатилетие — говорит, что все удивительные вещи с телами начинают отчетливо проявляться лишь при скоростях тел, довольно близких к скорости света. Во всяком случае, при скоростях порядка сотни тысяч километров в секунду.

К таким скоростям электроны могут приближаться лишь в самых тяжелых атомах, заполняющих последние клетки периодической таблицы химических элементов. Но не это обстоятельство занимает сейчас Дирака. Раз в принципе околосветовые скорости электронов возможны, значит, в квантовую теорию надо включить и их. Если хотите — впрок.

С самого начала выясняется, что забраться на холм не так-то просто. Первые же камни, на которые ступает Дирак, ускользают из-под его ног.

Теория относительности резко разграничивает движения со скоростями меньше и больше скорости света. Первые — возможны, вторые — нет. Квантовая механика, однако, не столь категорична в своих суждениях. Вспомним хотя бы гейзенберговские соотношения неопределенностей. Они утверждают, что, чем определеннее мы пытаемся узнать место, где находится частица, тем более неопределенной становится ее скорость.

Это глубокое различие в подходе двух теорий — теории быстрых движений больших тел и теории медленных движений маленьких тел — в те годы еще не осознается физиками. Дирак видит лишь, что решения составленного им уравнения, которое является развитием основного уравнения квантовой механики на быстрые движения, не обладают релятивистской инвариантностью.

Ворота в рай

Страшные это слова — «релятивистская инвариантность». Страшные своей неумолимостью. Если теория не обладает этим свойством, физики без разговоров сдают ее в архив. Все равно прока от нее не будет.

Что же означают эти страшные слова? Не удивляйтесь: вам, оказывается, хорошо известен скрытый в них смысл. Еще в первые годы изучения физики в школе вы узнаёте такое важное понятие, как система отсчета для движения тел, и такое важнейшее положение, что законы движения тел не должны зависеть от того, как вами выбрана система отсчета, в которой изучаются эти движения. Это и понятно: представляете себе, какой произвол воцарился бы в мире в противном случае!

Вам известны и приводимые тому примеры. Если вы играете в волейбол на равномерно плывущем пароходе, то мяч летает точно так же, как если бы вы играли на лужайке. И уравнения движения этого мяча в «системе отсчета» судьи, сидящего на вышке, ничем не отличаются друг от друга в обоих случаях.

Точно так же нет различия между тем, как идут ходики в равномерно движущемся поезде или в доме стрелочника на полустанке, мимо которого проносится поезд. И в том и в другом случае движение маятника часов описывается одним и тем же уравнением.

На языке физики это положение называется принципом относительности Галилея. Почти три века в справедливости этого принципа никто не сомневался.

Но вот приходит Альберт Эйнштейн и доказывает, что принцип Галилея верен лишь для сравнительно медленных движений тел. Для быстрых движений он принимает иной вид. Теперь его надо заменять принципом относительности Эйнштейна.

Здесь мы не будем описывать открытия Эйнштейна. Это описание можно найти в любой популярной книге по теории относительности. Укажем лишь на гораздо более высокую требовательность этого принципа.

Принципу Галилея часто угодить довольно легко. Как выразился один физик, «этот принцип протестует только в том случае, когда к нему подносят на проверку теории неравномерных, ускоренных движений».

Принцип Эйнштейна гораздо более разборчив. Со времени своего открытия он успел отвергнуть множество скороспелых теорий, на вид таких правильных и убедительных. Прошли старые добрые времена. Теперь ворота, через которые может пройти в рай физическая теория, стали очень-очень узкими.

На теориях, не пролезших сквозь эти ворота, принцип Эйнштейна ставит железное клеймо: «релятивистски неинвариантны». А по-русски: «уравнения и решения теории зависят от выбора системы отсчета при движении тел с околосветовыми скоростями».

Странный «минус»

Жаль, думает Дирак. Придется искать другие, обходные пути на холм. С принципом Эйнштейна не спорят.