PRO Антиматерию

В 1933 году Дирак вместе с австрийским физиком Эрвином Шредингером был удостоен Нобелевской премии за открытие новых форм квантовой теории. В декабре 1933 года Дирак прочитал в Стокгольме лекцию на тему «Теория электронов и позитронов», в ней он предсказал существование антиматерии. Это предсказание и открытие позитрона породило в научном сообществе уверенность, что начальная кинетическая энергия одних частиц может быть преобразована в энергию покоя других. В дальнейшем это привело к стремительному росту числа известных элементарных частиц.

Также Дирак написал несколько фундаментальных работ по квантовой теории поля. Важным вкладом Дирака в распространение квантовых идей стало появление его знаменитой монографии «Принципы квантовой механики», первое издание которой вышло в 1930 году. В этой книге было дано первое полное изложение квантовой механики. В 1937 году Дирак сформулировал так называемую гипотезу больших чисел, согласно которой чрезвычайно большие числа (например, отношение констант электромагнитного и гравитационного взаимодействий двух частиц), возникающие в теории, должны быть связаны с возрастом Вселенной, который также выражается огромным числом. Эта зависимость должна со временем приводить к изменению фундаментальных постоянных. Развивая эту гипотезу, Дирак выдвинул идею о двух временных шкалах – атомной, которая входит в уравнения квантовой механики, и глобальной, которая входит в уравнения общей теории относительности.

В Вестминстерском Аббатстве, в Лондоне, в 1995 году была установлена мемориальная табличка в память о Поле Дираке. На ней указаны годы жизни и его знаменитое уравнение

Говоря об этом уравнении, отметим, что его характерной особенностью является наличие среди его решений таких, которые соответствуют состояниям с отрицательными значениями энергии для свободного движения частицы (что соответствует отрицательной массе частицы). Это представляло трудность для теории, поскольку все механические законы для частицы в таких состояниях были бы неверными, но в квантовой теории переходы в эти состояния возможны. Действительный физический смысл переходов на уровни с отрицательной энергией выяснился в дальнейшем, когда была доказана возможность взаимопревращения частиц. Из уравнения Дирака следовало, что должна существовать новая частица (античастица по отношению к электрону) с массой электрона и электрическим зарядом противоположного знака; и как мы уже говорили, она была действительно открыта и названа позитроном. Это стало свидетельством гениальности теории электрона Дирака. Переход электрона из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией и обратный переход интерпретируются как процесс образования пары электрон—позитрон и аннигиляции такой пары.

Уравнение Дирака справедливо не только для электронов, но и для других элементарных частиц со спином 1/2, например мюонов и нейтрино, о которых мы будем говорить ниже. Применимо оно и для кварков, которые также являются элементарными частицами со спином 1/2. Модифицированное уравнение Дирака можно использовать для описания протонов и нейтронов, которые не являются элементарными частицами (они состоят из кварков). Считается, что теория, которая включает только уравнение Дирака, взаимодействующее с классическим внешним электромагнитным полем, не совсем верно учитывает рождение и уничтожение частиц. Она хорошо предсказывает магнитный момент электрона и тонкую структуру линий в спектре атомов. Она объясняет спин электрона, поскольку два из четырех решений уравнения соответствуют двум спиновым состояниям электрона. Два оставшихся решения с отрицательной энергией соответствуют античастице электрона (позитрону), предсказанной Дираком исходя из его теории и почти сразу же вслед за этим открытой экспериментально.

Несмотря на эти успехи, такая теория имеет и недостаток: она не описывает, в частности, рождение и уничтожение частиц – один из фундаментальных процессов релятивистской теории взаимодействующих полей. Однако эта трудность разрешена в квантовой теории поля.

* **

Ну а теперь, после краткой биографии этого выдающегося человека, мы перейдем к тем вопросам, которыми он занимался и которые интересуют нас в связи с рассматриваемой темой.

Эйнштейн говорил, что у электрона должен быть спин и или положительная, или отрицательная энергия. Дирак же вначале хотел каким-то образом обойти загадку отрицательной энергии, но был вынужден ее принять. Что это значило?