Лоуренс Краусс - Всё из ничего [litres]

Первым, кому удалось применить теорию относительности к квантовой механике, был блестящий и немногословный британский физик-теоретик Поль Дирак, который к тому времени уже сыграл важнейшую роль в разработке квантовой механики как теории.

Квантовую механику разрабатывали с 1912 по 1927 г., в основном трудами другого легендарного гения – датского физика Нильса Бора – и блестящих юных дарований – австрийского физика Эрвина Шрёдингера и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Бор первым высказал предположение о существовании квантового мира, а Шрёдингер и Гейзенберг отточили математическую сторону теории. Этот мир отвергает все представления о природе вещей, которые диктует житейский опыт и здравый смысл. Сначала Бор предположил, что электроны в атомах вращаются по орбитам вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, но показал, что наблюдаемые законы атомных спектров (частот излучения, испускаемого разными элементами) можно понять только в том случае, если электроны почему-то могут иметь стабильные орбиты только на определенном наборе «квантовых уровней» и не могут свободно падать по спирали к ядру. Они перемещаются с уровня на уровень, поглощая или испуская лишь дискретные частоты – кванты света, те самые кванты, о которых впервые заговорил в 1905 г. Макс Планк, когда пытался понять, как возникает специфический спектр излучения нагретого тела.

«Правила квантования» Бора были сформулированы лишь для ответа на конкретный вопрос. Однако Шрёдингер и Гейзенберг независимо показали в 1920-е гг., что эти правила можно вывести из неких общих принципов, если предположить, что законы динамики электронов отличаются от законов динамики макроскопических тел вроде теннисных мячиков. Электроны умеют вести себя не только как частицы, но и как волны, они распространяются во всем пространстве (отсюда и «волновая функция» электронов по Шрёдингеру). Было показано, что результаты измерения свойств электронов могут дать лишь вероятностные оценки, причем различные комбинации их разных свойств невозможно измерить одновременно (отсюда принцип неопределенности Гейзенберга).

Дирак показал, что математический аппарат, при помощи которого Гейзенберг описывал квантовые системы (за что и получил Нобелевскую премию в 1932 г.), можно вывести из тщательно выстроенной аналогии с давно известными законами динамики макроскопических объектов. Кроме того, впоследствии он сумел показать, что математическую «волновую механику» Шрёдингера можно вывести таким же образом и что она формально эквивалентна формулам Гейзенберга. Но Дирак также знал, что квантовая механика Бора, Гейзенберга и Шрёдингера при всех своих достоинствах применима лишь к системам, в которых действуют не законы относительности Эйнштейна, а законы Ньютона, те самые, что управляют классическими макроскопическими системами, по аналогии с которыми были выстроены квантовые системы.

Дирак предпочитал мыслить не картинками, а математическими формулами, и когда он решил попробовать согласовать квантовую механику с теорией относительности, то начал играть с разными видами уравнений. В их число входили сложные многокомпонентные математические системы, призванные учитывать, что у электронов есть так называемый спин, то есть они как бы вращаются наподобие маленьких волчков и имеют момент импульса, причем вращаться они могут вокруг любой оси и по часовой стрелке, и против.

В 1929 г. Дирак наконец напал на золотую жилу. Уравнение Шрёдингера красиво и точно описывало поведение электронов, которые движутся со скоростью, значительно меньшей скорости света. Дирак обнаружил, что если доработать уравнение Шрёдингера и превратить его в более сложную формулу при помощи так называемых матриц Паули (это значит, что уравнение Дирака на самом деле описывает систему из четырех взаимосвязанных уравнений), то можно непротиворечивым образом объединить квантовую механику и теорию относительности, а следовательно, объяснить в принципе поведение систем, в которых электроны движутся гораздо быстрее.

Однако тут была одна загвоздка. Дирак составил уравнение, которое должно было описывать поведение электронов при взаимодействии с электрическими и магнитными полями. Но оказалось, что его уравнение требует еще и существования новых частиц – точно таких же, как электроны, только с противоположным электрическим зарядом.

В то время была известна только одна элементарная частица с зарядом, противоположным заряду электрона, – протон. Однако протоны совсем не похожи на электроны – хотя бы тем, что они почти в 2000 раз тяжелее!