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

Когда Дирака спросили, почему он так сильно возражает против новой теории несмотря на то, что она столь точно описывает главные свойства электрона, он ответил:

«НЕЧЕЛОВЕЧЕСКАЯ» ТОЧНОСТЬ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

«Нечеловеческая точность» — такое выражение использовал Джон Хорган в своем произведении «Конец науки»(The End of Science) для сравнения некоторых опытных результатов и теоретических расчетов, полученных квантовой электродинамикой (КЭД). Соответствие достигает в некоторых случаях соотношения порядка 109 или даже 1012. Рассмотрим некоторые физические величины, которые можно измерить экспериментально крайне точно, и сравним их с результатами квантовой электродинамики. Обратимся, например, к магнитному моменту электрона (величина, напрямую связанная со спином). Результат опыта равен μexp(e)= 1, 0011596521884. Результат уравнения Дирака равен μDirac(e)=1. Таким образом, этот результат воспроизводит результат экспериментальный с точностью до 1% (соотношение 102). Однако электрон испускает виртуальные фотоны, которые затем поглощаются или поляризуют вакуум. Данный процесс, называемый «радиационной поправкой», не входит в уравнение Дирака, но может быть рассчитан через КЭД. В этом случае теоретическое значение будет μQΕD(e)= 1, 001159652140. Разница между экспериментальным измерением и теоретическим значением появляется только после 11-го знака! Такое же соответствие мы обнаруживаем и для других элементарных частиц, например для мюона. Возьмем, например, свойство, связанное с атомом водорода, — разницу энергии между двумя стационарными состояниями. Согласно уравнению Дирака, эти состояния имеют одинаковую энергию. Однако в экспериментальных измерениях проявляется небольшая разница, вызванная лэмбовским сдвигом, и равна она ΔΕexp=1057851.

Результат, полученный с помощью КЭД, равен ΔΕQED = 1057 862. Разница появляется в шестой цифре, но надо держать в уме, что касательно энергетической разницы между уровнями значения имеют точность около единицы к миллиону по отношению к энергиям действительных энергетических уровней. Так, для сравнения, точность КЭД была бы 1 на 1012. Чтобы по-настоящему оценить подобную степень точности, будет интересно соотнести ее с примерами, связанными с нашей повседневной жизнью. Возьмем, скажем, расстояние между Мадридом и Нью-Йорком, которое равно примерно 6000 км. С точностью, сравнимой с точностью КЭД, это расстояние можно было бы измерить до сотой или даже миллионной миллиметра. Это меньше, чем толщина человеческого волоса.

«Ценой, которую пришлось заплатить за этот успех, был отказ от логического заключения и замена его серией эффективных правил. Слишком высокая цена, ни один физик не хотел бы заплатить ее».

Последняя написанная Дираком статья появилась в книге, опубликованной как дань его памяти в 1987 году, через три года после смерти ученого. Название статьи является настоящим кредо Дирака: «Недостатки квантовой теории полей». Его последнее суждение о квантовой электродинамике было таким:

«Эти правила перенормировки слишком прекрасно согласуются с экспериментальными результатами. Вот почему многие физики считают, что эти правила корректны. То, что результаты соответствуют опыту, не является доказательством правильности теории. [...] Я хочу подчеркнуть еще раз, что многие из этих современных квантовых теорий полей ненадежны, даже если физики работают с ними и получают порой точные результаты».

Но вернемся к фотографии, упомянутой в начале данной главы, на которой изображен Дирак, с кажущимся безразличием слушающий своего коллегу. Фейнман разделял некоторые беспокойства Дирака по поводу результатов с бесконечными пределами и говорил о них так:

«У меня есть ощущение, что перенормировка не является правомерной математической техникой. Мы еще не располагаем удовлетворительными математическими методами, чтобы описать теорию квантовой электродинамики».

Однако на этом взаимопонимание двух физиков по поводу новой теории заканчивалось. Для Фейнмана она была «драгоценным завоеванием». Американский физик замечал:

«Вопрос не в том, является теория приятной в философском плане, или простой для понимания, или разумной с точки зрения «здравого смысла». На самом деле важно, чтобы предположения теории соответствовали опыту. [...] Описание природы, представленное в квантовой электродинамике, кажется абсурдным, но оно прекрасно соответствует опыту. Поэтому я надеюсь, что мы сможем принять природу такой, какая она есть, — абсурдной».

Дирак так никогда и не согласился с этими выводами и без устали пытался найти новую формулировку. Несмотря на взаимные расхождения, восхищение ученых друг другом было взаимным, и в 1986 году на конференции, которую Фейнман организовал в честь Дирака, он сказал, что всегда считал Дирака самым значительным «героем» физики.

Дирак отрыл магнитный монополь в 1931 году. Однако это открытие было сочтено наименее важным из его научных заслуг. Значение работ ученого со временем уменьшилось, впрочем, подобное произошло со многими физиками его поколения. Тем не менее Дирак продолжал исследовательскую деятельность и регулярно публиковал статьи — до самой своей смерти.

Ни одна из статей Дирака, опубликованных после 1934 года, не была столь же оригинальной и важной, как его предыдущие работы. Однако он продолжал регулярно публиковать свои исследования. Помимо бесконечных попыток найти новую формулировку квантовой электродинамики, Дирак работал и в других областях, таких как космология. Он эпизодически участвовал в некоторых экспериментальных исследованиях (вместе со своим другом Капицей), а во время войны включался в военные проекты. В этой главе мы кратко рассмотрим его теорию магнитного монополя и идеи ученого в области космологии.

В личном плане большие перемены в жизни Дирака наступили, когда ему уже было более 30 лет: смерть отца в 1936 году, которая стала для него освобождением, его женитьба в 1937 году, рождение детей и переезд во Флориду. Дирак продолжал научную работу, но был вынужден сочетать ее с новыми семейными обязанностями. На его отношения с коллегами, особенно с русскими и немецкими, повлияли страшные годы Второй мировой войны и темный период холодной войны. Именно тогда Дирак стал говорить о том, что в основе всех научных открытий должен лежать «принцип математической красоты». Этот принцип стал самым дорогим его кредо. В чем же он заключался?

Дирак является одним из самых блестящих физиков в истории этой науки, однако его имя остается малоизвестным. Работы ученого стали фундаментом современной физики, а об открытом им антивеществе сегодня знают все — по крайней мере по книгам и фильмам в жанре научной фантастики. Впрочем, кто бы мог представить, что античастицы позволят усовершенствовать медицинские технологии, столь полезные для общества?