Поль Дирак — человек, который изменил физику

Англичанина Поля Дирака (1902-1984) часто называют величайшим физиком-теоретиком XX века. И на это есть причины — именно он вывел уравнение, позволяющее описать электрон (уравнение Дирака), а также открыл (точнее, переоткрыл, но об этом чуть ниже) антиматерию. За свои научные достижения в 1933 году он был удостоен Нобелевской премии по физике, ученому на тот момент был всего 31 год. 

Примечательно, что некоторые исследования Дирака были основаны на “научном предсказании”, то есть на предположении существования явлений, которые ранее не были замечены в природе и доказывались не экспериментальным путем, как это было принято в научном мире, а гипотетическим. Некоторые коллеги Дирака утверждали, что своим открытиям он обязан невероятно развитому воображению и “тайной математике”.

Уравнение Дирака Поль Дирак разработал теорию, которая объединила принципы квантовой механики, используемые для описания субатомного мира на очень маленьких расстояниях, с законами относительности Эйнштейна, утверждающими, что ничего не движется быстрее света. Благодаря сложным математическим вычислениям ученому удалось соединить эти разрозненные теории и вывести уравнение. Когда однажды Дирака спросили, что он думает о своем открытии, ученый ответил: ,“Я нахожу это уравнение красивым. Красота уравнений важнее, чем их соответствие экспериментальным данным…. Если стремишься получить в уравнениях красоту и обладаешь хорошим воображением, то ты на верном пути”. Уравнение Дирака объясняет, как ведут себя очень быстрые электроны на маленьких расстояниях при движении со скоростью, близкой к скорости света, а также предсказывает их магнитные свойства. Как известно, электрон — это отрицательно заряженная частица (какой заряд называть положительным, а какой отрицательным, было определено соглашением; ученые могли договориться и об обратном обозначении знаков зарядов, и ничего от этого не поменялось бы), которая может “исчезать” в промежутках между переходами с одного уровня на другой в возбужденном атоме.

Чуть позже уравнение показало, что “исчезновение” электрона с отрицательной энергией следует объяснять как этап, в ходе которого происходит “превращение” — возникает частица (той же массы) но уже с положительной энергией и с положительным электрическим зарядом: античастица по отношению к электрону. Ее назвали позитрон, и она была открыта в космических лучах лишь в 1932 году, спустя несколько лет после предсказания английского физика-теоретика. По сути, уравнение Дирака содержало в себе решение проблемы с отрицательными энергиями. Физик-теоретик утверждал, что не только электрон имеет свою античастицу, но и все остальные частицы тоже, за исключением истинно нейтральных — фотонов (частицы, которые переходят в себя при зарядовом сопряжении, то есть являются античастицами для самих себя). Так же как протоны, нейтроны и электроны объединяются для образования атомов и материи, так и антипротоны, антинейтроны и антиэлектроны (позитроны) объединяются, образуя антиатомы и антиматерию. Мысли ученого заставили его предположить, что где-то в далеком безграничном космосе может существовать антимир и даже антивселенная. Антиматерия Впервые понятие «антиматерия» вывел английский физик Артур Шустер в 1898 году, почти сразу же после открытия Джозефом Томсоном электрона. Однако идея Шустера так и не получила поддержки и вскоре была забыта. Поль Дирак, озвучивший ее спустя 30 лет, по факту переоткрыл “антиматерию”. Сделал он это гипотетически, но был гораздо убедительней Шустера, отчего это понятие “прижилось” в научном мире. Как мы уже знаем, антиматерия — это материя, состоящая из античастиц. При соединении вещества и антивещества образуются высокоэнергетические гамма-кванты, которые способны выделять большое количество энергии, в основном, без радиации. Например, одной тонны, полученной при таком “синтезе” энергии, хватило бы, чтобы обеспечивать электричеством весь земной шар на протяжении сотен тысяч лет, не говоря уже о создании двигателей, позволяющих путешествовать на околосветовых скоростях. Правда, ученые пока пытаются синтезировать только атомы антивещества, и даже его грамм будет получен еще очень не скоро. Да и физики пока не знают, где вещество и антивещество “сталкивать”. Нет таких условий на Земле, в которых это было бы возможно. Тем не менее сегодня люди научились использовать для решения некоторых практических задач самую распространенную и относительно легко получаемую античастицу — позитрон. Одно из применений позитроны нашли в медицине для диагностики рака. Существуют радиоактивные ядра, испускающие позитроны, которые, вылетев из ядра атома, мгновенно аннигилируют (один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей), с электронами из соседних атомов, превращаясь в два фотона. Пациент принимает небольшое количество аналога глюкозы с радиоактивной примесью (доза очень маленькая и не наносит вреда здоровью), глюкозоподобное вещество накапливается в раковых клетках. Именно в опухоли и будет происходить частая электрон-позитронная аннигиляция, а найти точное место в организме, откуда выделяются фотоны, остается технической задачей, причем, это делается бесконтактно: вокруг пациента движется сканирующий прибор, улавливающий фотоны. Этот метод, позволяющий диагностировать и точно определять местоположение опухоли, называется позитронно-эмиссионной томографией. Мир Поля Дирака Так изначально гипотетические открытия Поля Дирака приобрели огромное значение и в дальнейшем получили практическое применение. Ученому удалось изменить мир физики, используя метод научного предсказания. Любопытно, что этот метод он старался применять и в реальной жизни. И когда это происходило, очень часто возникали забавные ситуации. В 1929 году Дирак отплыл из Америки в Японию с немецким физиком-теоретиком Вернером Гейзенбергом. Во время путешествия Гейзенберг проводил вечера, танцуя с девушками, а Дирак озадаченно за этим наблюдал. “Почему Вы постоянно танцуете с этими девушками?”, — спросил своего коллегу Поль Дирак. “Ну, когда есть хорошенькие девушки, с ними в радость потанцевать”, — отшутился Гейзенберг. После пятиминутного раздумья, Дирак поставил своего коллегу в тупик: “Но откуда Вы заранее знаете, что они хорошие?”