Темная сторона материи. Дирак. Антивещество - Хуан Антонио Кабальеро Карретеро

ГОДЫ РАЗОЧАРОВАНИЙ И УТРАТЫ ИЛЛЮЗИЙ

В 1934 году, когда Дирак опубликовал свою статью о теории позитрона, Оппенгеймер и другие физики разработали новую версию теории электронов и позитронов, которая позволяла не прибегать к понятию моря Дирака. В том же году Паули (возможно, самый яростный противник теории дырок Дирака) и его ученик Виктор Вайскопф (1908-2002) осуществили квантование поля, описанного уравнением Клейна — Гордона. Из их работы стало очевидно, что пары частица/античастица также возникают и в случае бозонов (частицы с целым спином). Паули назвал данную работу «антидираковской теорией».

Однако во всех теориях присутствовали бесконечные величины. Зайдя в тупик, многие физики решили сменить область исследования; некоторые даже оставили эту науку. Дирака волна уныния тоже не миновала. Как и некоторые из его коллег, он был убежден, что существующая теория нуждается в радикальном изменении. До конца своих дней ученый искал решение этой проблемы, но напрасно. Без сомнения, один из основателей квантовой электродинамики испытывал еще большее чувство неудовлетворенности, нежели другие его коллеги. Йордан, бывший в числе основателей квантовой теории излучения, вообще перестал заниматься физикой.

Отношение Дирака к квантовой электродинамике изменилось в рекордное время. В начале 1935-го, через год после создания теории позитрона, он еще придерживался неопределенной позиции и верил в теорию:

«Квантовая электродинамика не может считаться действительно удовлетворительной теорией, однако она еще сохраняет некоторые свойства, достойные интереса: это релятивистская инвариантная теория, что может показаться весьма удивительным».

Меньше чем через год Дирак потерял свою веру и стал одним из самых суровых критиков квантовой электродинамики. В порыве развенчания теории он противоречил самому себе во многих аспектах, благодаря которым он стал столь блестящим физиком.

В 1936 году Дирак написал слова, приведенные в начале этой главы, которыми без особых эмоций подтверждал отказ от квантовой электродинамики. Они были вызваны опытом, реализованным в конце 1935 года американским физиком Робертом Шенкландом (1908-1982). Результаты его опыта, ставившего, казалось, под вопрос принцип сохранения энергии в атомных процессах, Дирак использовал для резкой критики квантовой теории излучения. По словам физика, результаты опыта Шенкланда означали «отказ от квантовой электродинамики и нейтрино». Также и его видение нейтрино — гипотетической частицы, о существовании которой заявил Паули в 1930 году для объяснения бета-распада, — радикально изменилось за два года.

Опыт Шенкланда послужил причиной радикального изменения не только идей Дирака, но также и его подхода к физике. Впервые он безоговорочно принял неподтвержденные результаты одного опыта, поскольку тот позволял оправдать его предвзятые рассуждения и заключения. Дирак избрал путь, которому не последовал никто из физиков. Он прекрасно знал, что если результаты опыта Шенкланда подтвердятся, это будет означать одновременно нерелевантность квантовой электродинамики и принципа неопределенности Гейзенберга и, соответственно, нерелятивистской квантовой механики. Но Дирак продолжал следовать данному пути и решил опубликовать свои идеи в новой статье, которую назвал «Сохраняется ли энергия в атомных процессах?».

Значительное число его коллег раскритиковали работу Дирака, особенно за ее несоответствие предыдущим работам ученого. Гейзенберг расценил статью Дирака как «невероятную глупость», а Бор указал на ужасные последствия нарушения принципа сохранения энергии. Интересно заметить, что позиции Бора и Дирака в 1936 году были прямо противоположными тем, какие они занимали пять лет назад, когда в порыве отчаяния Бор поставил под сомнение принцип сохранения энергии для объяснения бета-распада, тогда как Дирак предпочел отказаться от представления о непрерывности материи, нежели от сохранения энергии.

В последующие годы Дирак рассматривал проблему бесконечных величин под разными углами. Он попытался найти новую формулировку классической теории излучения, которую можно было бы распространить на квантовый мир; физик развивал новые математические методы, позволяющие устранить расходящиеся интегралы, и даже выстроил новую теорию, введя идею «гипотетического мира». Паули, будучи противником теорий Дирака, ясно сформулировал свои возражения во время конференции по случаю получения им Нобелевской премии:

«Правильная теория не должна вести к бесконечным значениям энергии или заряда, она не должна использовать математические хитрости для того, чтобы избежать бесконечностей или сингулярностей, и ей не следует придумывать гипотетический мир, который является всего лишь математическим вымыслом, пока не будет правильно интерпретирован мир физики».

Это была резкая критика состояния квантовой электродинамики, принятая Дираком безоговорочно, а также и того пути, на который он ступил.

ДИРАК И «НОВАЯ» КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

В конце 1940-х годов труды Фейнмана, Швингера и Томонаги серьезно изменили квантовую электродинамику. Они разработали метод перенормировки, позволяющий избежать бесконечных величин и предоставляющий однозначные ответы, соотносимые с результатами опытов. Новая квантовая электродинамика была независимо разработана тремя физиками достаточно консервативным способом: релятивистская квантовая теория оставалась общей основой новой теории, а нужные результаты получались при помощи метода возмущений. Это не было именно революционным изменением, на чем настаивал Дирак и другие физики. В 1948 году Фримен Дайсон (р. 1923) доказал, что три формулировки квантовой электродинамики на самом деле являются эквивалентными.

Удивительным образом философия новой квантовой электродинамики следовала идеям Дирака, сформулированным несколькими годами ранее. Швингер даже сказал впоследствии:

«Взаимодействие между веществом и излучением производит перенормировку заряда и массы электрона, сохраняя все расходимости в факторах перенормировки».

Фейнман со своей стороны утверждал:

«Метод перенормировки заряда и массы электрона позволяет нам получить последовательную электродинамику; с ее помощью мы можем рассчитать все возможные процессы, в которых задействованы фотоны, электроны и позитроны».

В конце 1940-х годов Вайскопф смог с большим удовлетворением заявить: «Война с бесконечными величинами наконец закончена». Победное чувство, за редким исключением, испытывали большинство его коллег.

Несмотря на невероятный прогресс, достигнутый с помощью новой теории, Дирак так и не принял тот способ, которым было покончено с бесконечными пределами решений. Ученый придерживался этой позиции всю жизнь. В 1950-е годы он заметил, что новая теория перенормировки не смогла решить проблемы квантовой электродинамики. Дирак считал, что на самом деле требовалось «изменение основополагающих понятий, сравнимое с появлением квантовой механики в 1925 году».

В середине 1970-х годов он писал:

«Многих физиков прекрасно удовлетворяет квантовая электродинамика. Я считаю, что ситуация совсем не является удовлетворительной. Новая теория совершенно произвольно убирает решения с бесконечными величинами. Математика учит нас, что мы можем убирать значение, которое является слишком маленьким, а не когда оно бесконечно большое и мы не хотим его сохранять».