Как Поль Дирак изменил физику

В 26 лет он вывел уравнение, позволяющее описать электрон (уравнение Дирака), а чуть позже открыл, точнее, переоткрыл, антиматерию. В 28 стал членом Лондонского королевского общества, а через год иностранным членом Академии наук СССР.  В 31 год он получил Нобелевскую премию «за открытие новых форм квантовой теории». А еще Дирак автор многочисленных трудов по квантовой теории поля, квантовой механике, квантовой электродинамике.

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 получил Нобелевскую премию по физике, ученому на тот момент был всего 31 год.Фото: BBC / Дирак

Примечательно, что некоторые исследования Дирака основаны на «научном предсказании», то есть на предположении существования явлений, которые ранее в природе не замечались, 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.

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 о ней забыли. Поль Дирак, озвучивший ее спустя 30 лет, по факту переоткрыл «антиматерию». Гипотетически. Но был гораздо убедительней Шустера, отчего новое 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. Ученые пока пытаются синтезировать только атомы антивещества, и даже его грамм будет получен еще очень не скоро. Да и физики точно 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 хорошенькие?».

Источник: Северный маяк

Обновлено: 01.11.2021 — 12:22

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.