PRO Антиматерию

После того как появилась новая теория Эрвина Шредингера на основе представлений о волновых свойствах вещества, Дирак занялся и ее изучением. Правда, он вначале посчитал ее излишней, так как уже существовал подход, позволявший получать правильные результаты в этой области. Шредингер показал, что любое уравнение волновой механики можно представить в матричной форме и, наоборот, от заданных матриц можно перейти к волновым функциям. Он выпустил несколько основополагающих работ по волновой механике, и значение волновой механики Шредингера было очень быстро оценено научным сообществом. Одним из главных вопросов, поставленных Шредингером, был вопрос о том, что же колеблется в атоме, то есть пытался определить свойства волновой функции. Вначале он считал ее вещественной, однозначной и дважды дифференцируемой функцией, однако в дальнейшем допустил для нее возможность комплексных значений, а также полагал, что частицы можно наглядно представлять как волновые пакеты, составленные из набора собственных функций. Шредингер до конца жизни отстаивал необходимость наглядного представления волновой механики.

Вскоре Дирак понял, что теории Гейзенберга и Шредингера связаны между собой и дополняют друг друга. Впервые Дирак применил теорию Шредингера, рассмотрев задачу о системе тождественных частиц, и обнаружил, что тип статистики, которой подчиняются частицы, определяется свойствами симметрии волновой функции.

Дирак защитил диссертацию под названием «Квантовая механика» в мае 1926 года и вскоре отправился в Копенгаген в Институт Нильса Бора, где наконец познакомился и близко сошелся с последним. В Копенгагене Дирак начал заниматься вопросами теории излучения. Дирак продемонстрировал эквивалентность двух различных подходов к рассмотрению электромагнитного поля, основывающихся на представлении о световых квантах и на квантовании компонентов поля. Ему также удалось получить выражения для коэффициентов Эйнштейна как функций потенциала взаимодействия и объяснить спонтанное излучение. В работе «Квантовая теория испускания и поглощения излучения» он ввел и объяснил новый физический объект – квантовое поле, а метод вторичного квантования лег в основу построения квантовой электродинамики и квантовой теории поля.

Дирак приобрел широкую известность в научных кругах, его стали приглашать на различные конгрессы, в 1927 году избрали членом совета колледжа Святого Джона Кембриджского университета, где он учился в аспирантуре. В это время Дирак был занят построением адекватной релятивистской теории электрона. Ему потребовалось несколько недель работы, чтобы вывести уравнение, которое получило название «Уравнение Дирака», оно оказалось очень удачным, поскольку естественным образом включает спин электрона и его магнетизм. Дирак включил в статью «Квантовая теория электрона» основанный на полученном уравнении расчет спектра водородного атома, который полностью согласовывался с экспериментальными данными. Дирак разработал теорию о вероятности перехода электрона между состояниями с положительной и отрицательной энергиями. Попытки искусственно исключить эти переходы ни к чему не привели. В 1930 году Дирак предположил, что все состояния с отрицательной энергией заняты. Это соответствует вакуумному состоянию с минимальной энергией. Если же состояние с отрицательной энергией оказывается свободным («дырка»), то наблюдается частица с положительной энергией. При переходе электрона в состояние с отрицательной энергией «дырка» исчезает, то есть происходит аннигиляция. Из сделанных выводов следовало, что эта гипотетическая частица должна быть во всем идентичной электрону, за исключением противоположного по знаку электрического заряда. В то время такая частица не была известна.

Дирак много выступал с лекциями после опубликования своей теории. И на каждой лекции его спрашивали, где же находится этот антиэлектрон. Наиболее желчно этот вопрос звучал из уст современников, которые тщательно изучили его уравнение и представленные аргументы. В конце концов Дирак высказал предположение, что поскольку у протона положительный заряд, то антиэлектрон с положительным зарядом может являться протоном. Это было сделано в работе «Теория электронов и протонов», опубликованной в 1930 году. Затем Герман Вейль (1885–1955), немецкий математик, который начиная с 1933 года проживал в США и оставил после себя труды по теории функций, теории групп и их применении к физике, показал, что такая «дырка» не может быть протоном, а должна иметь массу электрона. Дирак согласился с этими доводами и указал, что тогда должен существовать не только «положительный электрон», или антиэлектрон, но и «отрицательный протон», то есть антипротон. Антиэлектрон был открыт спустя несколько лет (мы уже говорили о Карле Андерсоне и открытии этой частицы, которая позже получила название позитрон).