ДИРАК Поль - ДИРА́К (Dirac) Поль Адриен Морис (1902-1984), английский физик, один из создателей квантовой механики, иностранный член-корреспондент АН СССР (1931). Разработал квантовую статистику (статистика Ферми-Дирака); релятивистскую теорию движения электрона (уравнение Дирака, 1928), предсказавшую позитрон, а также аннигиляцию и рождение пар. Предложил метод вторичного квантования. Заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации. Нобелевская премия (1933, совместно с Э. Шредингером).
* * *
ДИРА́К (Dirac) Поль (Адриен Морис) (8 августа 1902, Бристоль, графство Глостершир, Англия - 20 октября 1984, Таллахасси, США), один из крупнейших физиков-теоретиков 20 века, один из основных создателей релятивистской квантовой теории.
До приезда в Кембридж.
Чарлз Адриен Ладислас Дирак, отец будущего великого физика, эмигрировал из Швейцарии в Англию, и к 1902 он с женой Флоренc и c тремя детьми (у Поля был старший брат и младшая сестра) жили в Бристоле в своем собственном доме. В 1919 отец и все члены семьи стали подданными Британии.
Отец зарабатывал преподаванием французского языка. Ученики не любили его, - он был слишком строг и требователен, - хотя и не могли не понимать эффективности его педагогических приемов. Жили замкнуто. Впоследствии Дирак вспоминал: «В наш дом никто не приходил за исключением, может быть, немногих учеников отца… У нас не бывало никаких гостей». Отец требовал, чтобы в доме говорили на французском (его родном) языке, вопреки желаниям жены и детей, и это было одной из причин, затруднявших общение. Отсюда, возможно, берет начало молчаливость Поля и его тяготение к одиночеству.
Поля отдали учиться в школу, где преподавал его отец. Это было несколько старомодное, но и весьма солидное учебное заведение, о котором Дирак вспоминал, что оно было «...великолепной школой естественных наук и современных языков. В ней не было ни латинского, ни греческого, чему я был очень рад, ибо я совсем не воспринимал древние культуры. Я был очень счастлив, что мог посещать эту школу. Я учился… с 1914 по 1918 год, как раз во время Первой мировой войны. Многие парни покинули школу ради служения нации. В результате старшие классы совсем опустели. Чтобы заполнить пробел, стали продвигать младших в такой степени, в какой они могли справиться с более сложной работой. Мне это было очень выгодно: я быстро «проскочил» младшие классы и в очень раннем возрасте познакомился с основами математики, физики, химии на вполне высоком уровне. Математику я учил по книгам, которые, как правило, содержали больше, чем знал класс». Далее он вспоминает, что в школе «...ценили мою преданность науке...», хотя в спортивных играх «мне не сопутствовала удача».
По-видимому, сыграл положительную роль и тот факт, что школа помещалась в том же здании, что и технический колледж, располагавший хорошими лабораториями.
В 1918 шестнадцатилетний Поль Дирак стал студентом электротехнического факультета Бристольского университета, который также помещался в здании его школы и через три года весьма успешно окончил его. Годы учебы в университете исключительно важны для формирования молодого ученого; здесь, в частности, он познакомился с теорией относительности, которой суждено было сыграть такую большую роль в его дальнейшей работе. Многое он получил и от преподавателя Петера Фрезера, умевшего донести до учеников понимание логической стройности и красоты математики, в частности, геометрии.
Хотя учился Дирак хорошо, как инженер он оказался невостребованным. Попытка получить стипендию в университете в Кембридже также не увенчалась успехом. Только через два года, после новой попытки Дирак получил небольшую стипендию и смог стать аспирантом, и в 1923 г. он приехал в Кембридж.
Феерический взлет.
То, что произошло в последующие несколько лет, может показаться чудом. Вчерашний неангажированный инженер, автор всего двух небольших работ по статистической механике, становится всемирно известным физиком-теоретиком, чьи первые же работы превращают его в классика науки и удостаиваются вскоре Нобелевской премии (1933 г.).
Конечно, этому существенно способствовала научная атмосфера Кембриджа. В то время это был один из признанных центров теоретической физики, куда постоянно приезжали рассказывать о своих работах физики всей Европы. Немаловажную роль играл там «Клуб Капицы», о котором известный английский физик Дж. Бернал (см. БЕРНАЛ Джон Десмонд) писал: «Он представлял собой своего рода Великое судилище по всем важным вопросам физики; люди с большими именами «вызывались», как на суд, и подвергались суровому допросу...». В 1924 Дирак стал членом клуба. Там он, в частности, познакомился и с Вернером Гейзенбергом (см. ГЕЙЗЕНБЕРГ Вернер), одним из создателей матричной квантовой механики. Дираку было тогда 23 года, Гейзенберг был на год старше. Эта встреча оказалась важной для обоих. В ближайшие два года Дирак разработал математический аппарат квантовой механики - теорию представлений, позволивший понять равноправие нескольких внешне различных вариантов описания в квантовой теории. Вскоре им был предложен «метод вторичного квантования», открывший путь к последовательному квантовому описанию электромагнитного поля. Одним из следствий построенной таким образом квантовой электродинамики явились выводы, касающиеся вынужденного излучения, которые уже в наше время легли в основу целого направления в физике - квантовой электроники. А годом раньше одновременно с Энрико Ферми (см. ФЕРМИ Энрико)и независимо от него Дирак разработал статистику частиц с полуцелым (т. е. равным nh/2p, где h - постоянная Планка (см. ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ), а n = 1/2, 3/2 и т. д.) спином (см. СПИН). А еще через год Дираком и Гейзенбергом было открыто обменное взаимодействие (см. ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ). Но самым главным достижением той плодотворнейшей поры явилось, безусловно, появление уравнения Дирака (см. ДИРАКА УРАВНЕНИЕ).
Релятивистский электрон.
Две великих теории 20 века - теория относительности и квантовая механика - около двух десятков лет развивались параллельно, но независимо, хотя делалось все более очевидным, что их объединение необходимо и неизбежно. Фактически, оно началось уже на заре возникновения квантовой теории: ведь слово «квант» было впервые произнесено Максом Планком (см. ПЛАНК Макс) применительно к электромагнитному излучению, а оно является «исконно релятивистским объектом». Но когда возникала квантовая теория атома, когда объектом рассмотрения стал электрон, то вначале казалось, что для его описания достаточно «нерелятивистского» волнового уравнения. Это уравнение, предложенное Эрвином Шредингером (см. ШРЕДИНГЕР Эрвин), сопровождается эпитетом «нерелятивистское» по той причине, что его вид остается неизменным лишь при «нерелятивистских» преобразованиях Галилея (см. ГАЛИЛЕЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ) для координат и времени, но меняется, если использовать «релятивистские» преобразования Лоренца (см. ЛОРЕНЦА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ).
К уравнению Шредингера можно подойти, используя выражение для полной энергии как суммы кинетической и потенциальной энергии и подставляя для входящих в их выражения координат и импульсов подлежащие операторы. Но в релятивистской теории выражение для энергии меняется: для свободной частицы она пропорциональна квадратному корню из суммы квадрата импульса и квадрата массы покоя (умноженного на четвертую степень скорости света). Квадратный же корень, как известно, имеет два знака. Учитывая это обстоятельство и использовав для «извлечения корня» изящнейший и изощренный математический «матричный» метод, Дирак пришел к знаменитому уравнению, носящему его имя. Это уравнение было опубликовано в работе, вышедшей 1 февраля 1928 года.
Впоследствии, сам автор писал: «Я обнаружил из этого уравнения, что электрон обладает спином, равным 1/2, и магнитным моментом, и что значение спина и магнитного момента согласуется с экспериментальными. Полученный результат был совершенно неожиданным... Я считал, что простейшее решение получится для частицы без спина, а уже затем нужно будет ввести спин...».
Но не менее примечательным было и следующее: ведь квадратный корень имеет два знака, и получалось, что кроме состояний с положительной, имеются и состояния с отрицательной энергией. На уровни с отрицательной энергией и должны бы были «проваливаться» все электроны, даже если сначала их энергии были положительны. Возникало, казалось бы, непреодолимое затруднение. Но и здесь Дирак выдвинул идею, которая не только устраняла затруднение, но и открывала плодотворнейшие перспективы. Идея эта может показаться теперь весьма простой и почти очевидной: достаточно принять, что все уровни с отрицательной энергией заняты, и тогда, согласно принципу Паули (см. ПАУЛИ ПРИНЦИП) больше ни один электрон не способен на них «поместиться». Таким образом, возникает удивительный новый образ: вакуум - это вовсе не «пустое место», не состояние с нулевым числом электронов, а, наоборот, «море» из бесконечного числа электронов, но только эти электроны мы не замечаем, т. к. их энергии отрицательны. Однако, это вовсе не означает, что это «море» принципиально наблюдаемо: если какому-то из находящихся в нем электронов, например, от g-кванта, сообщается энергия, достаточная, чтобы перевести его в состояние с положительной энергией, то происходит то, что называют «рождением пары»: появляется электрон с положительной энергией, а на его месте, на уровне с отрицательной энергией возникает «дырка». Во внешнем электрическом поле (и в магнитном также) она ведет себя как частица с такой же массой, как и у электрона, но с электрическим зарядом противоположного знака (классическим аналогом этого можно назвать пузырек в жидкости, который в поле тяготения движется не вниз, а вверх).
Таким образом, теория привела к предсказанию «античастицы» электрона. Эту частицу, названную позитроном, действительно вскоре обнаружил на опыте Карл Дэвид Андерсон (см. АНДЕРСОН Карл Дэвид). Теперь представление об античастицах - «партнерах-двойниках» всех частиц - прочно вошло в физику.
Штрихи портрета.
Полная непрестанного творческого напряжения жизнь Дирака внешне может показаться спокойной и бедной событиями. В 1930 выходит первое издание его знаменитой книги «Основы квантовой механики». Уровень математической строгости и новизна подхода к материалу не всегда были понятны даже признанным теоретикам, некоторые положения показались даже Гейзенбергу «более символичными, чем это необходимо». Но Дираку в высшей степени было свойственно чувство совершенства, математической красоты теории. В 1966, когда он приезжал в Москву (он бывал в России несколько раз, здесь у него было немало давних друзей), профессор Д. Д. Иваненко попросил его написать что-нибудь мелом на стене кабинета кафедры теоретической физики Физического кабинета МГУ.
Эта надпись, бережно сохраняемая сейчас под стеклом, такова: «Physical laws should have mathematical beauty» (Физические законы должны обладать математической красотой). Это можно назвать одним из ведущих девизов его работы. Почти серьезно он верил, что если теория красива, то природа не может ею не воспользоваться.
О первом приезде Дирака в нашу страну сохранился такой рассказ. На международной конференции, куда он должен был приехать, его с волнением и нетерпением ждали. Только что появилась его книга «Основы…», и о многом хотелось расспросить автора. Встреча была триумфальной, Дирака прямо на кресле водрузили на стол, и в такой позиции он должен был председательствовать... Но дальнейшее разочаровало многих: на все вопросы Дирак либо отвечал: «Это написано в моей книге!», либо «Я этого не знаю!». Но вскоре эта позиция, по-своему абсолютно логичная, была понята и оценена. (О Дираке вообще существует множество подобных рассказов, он недаром стал излюбленным персонажем сборников наподобие «Физики шутят»).
Можно заметить, что посещения России не остались незамеченными. В 1954, когда его пригласили в Принстон, Госдепартамент США отказал ему во въездной визе, как считал сам Дирак, именно из-за них. Дирак - автор статей в БСЭ и «Физическом энциклопедическом словаре» (издательство «Советская энциклопедия», ныне «Большая Российская энциклопедия»).
С 1932 по 1967 Дирак был профессором Кембриджского университета (здесь он занимал почетную Лукасовскую кафедру, которую в свое время возглавлял И. Ньютон (см. НЬЮТОН Исаак)), в 1969, в соответствии с общими правилами, он вышел на пенсию и переехал во Флориду, где работал в центре теоретической физики и в университете штата. Он продолжал многие начатые ранее работы, в частности, развивал гипотезу о магнитном заряде («Монополь Дирака»), о зависимости гравитационной постоянной от времени, пытаясь найти решение проблемы расходимостей (т. е. формально бесконечно больших значений, которые давала квантовая теория поля для ряда физических величин), ввел понятие индефинитной метрики (т. е. допускающей состояния как с положительной, так и отрицательной вероятностью), построил общую теорию классических полей, предложил теорию мюона как возбужденного колебательного состояния электрона, много писал.
Почти до последнего дня он остается верен привычке к долгим, как правило -одиноким прогулкам.
ДИРАК, ПОЛЬ АДРИЕН МОРИС
(Dirac, Paul Adrien Maurice)
ПОЛЬ ДИРАК
(1902-1984), английский физик-теоретик, удостоенный в 1933 вместе с Э. Шредингером Нобелевской премии по физике за создание квантовой механики. Родился 8 августа 1902 в Бристоле в семье преподавателя французского языка. В 1921 окончил с отличием Бристольский университет по специальности "электротехника". Следующие два года изучал математику. В 1923 поступил в аспирантуру Кембриджского университета к Р.Фаулеру, который познакомил его с новыми идеями в атомной физике. Заинтересовавшись ранними работами Гейзенберга по матричной механике, Дирак развил собственный оригинальный подход к квантовой проблематике и изложил его в серии статей, опубликованных в 1925-1926 в "Трудах Лондонского королевского общества" ("Proceedings of the Royal Society of London"). В 1926 за эти исследовния ему была присвоена степень доктора философии в области физики. В течение года работал у Н.Бора в Копенгагене и у М.Борна в Геттингене, затем вернулся в Кембридж, где был избран членом совета Сент-Джонз-колледжа. В 1929 преподавал физику в университете штата Висконсин в Мадисоне и читал лекции по квантовой механике в других американских университетах. По возвращении в Англию в 1930, в возрасте 28 лет, Дирак был избран членом Королевского общества, а в 1932 стал профессором Кембриджского университета, получив кафедру, которую некогда занимал Ньютон. В 1933-1934 работал в Принстонском институте фундаментальных исследований, затем вернулся в Кембридж. В 1968 ушел в оставку с поста профессора Кембриджского университета и после непродолжительной работы в качестве приглашенного профессора университета штата Нью-Йорк в Стони-Брук и университета Майами стал профессором физики университета штата Флорида в Таллахасси. Работы Дирака относятся к квантовой механике, квантовой электродинамике, теории поля, теории элементарных частиц, статистической физике. В 1926-1927 он разработал математический аппарат квантовой механики - теорию преобразований, ввел т.н. дельта-функцию. В 1927 применил принципы квантовой механики к электромагнитному полю и построил модель квантованного поля, заложив основы квантовой электродинамики. Совместно с В.Гейзенбергом в 1928 выдвинул идею обменного взаимодействия. В 1928 Дирак решил проблему, которую не удалось решить Э.Шредингеру: вывел релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение обладало важной особенностью - из него вытекало понятие спина, которое отсутствовало в нерелятивистском уравнении Шредингера; кроме того, оно объясняло тонкую структуру спектров атома водорода и аномальный эффект Зеемана. Из теории Дирака следовало, что электрон может обладать отрицательной энергией. Был сделан вывод, что существует частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом. Открытие в 1932 позитрона и процесса аннигиляции явилось блестящим подтверждением правильности этих идей. В 1931 Дирак выдвинул гипотезу о существовании элементарного магнитного заряда - монополя, в 1933 - антивещества. Большой вклад внес Дирак в создание квантовой статистики. В 1926 независимо от Э.Ферми он разработал статистику частиц с полуцелым спином (статистика Ферми - Дирака), в частности установил связь между характером статистического распределения ансамбля таких частиц и свойствами симметрии волновой функции. В 1931 он обосновал возможность существования симметричной квантовой электродинамики, базирующейся на концепции элементарных магнитных зарядов. В 1937 Дирак высказал гипотезу об изменении гравитации во времени. В 1962 разработал теорию мюона, рассматривая последний как колебательное состояние электрона, занимался проблемой гамильтоновой формулировки теории гравитации с целью дальнейшего квантования гравитационного поля. Основные публикации ученого: Принципы квантовой механики (The Principles of Quantum Mechanics, 1930), Развитие квантовой теории (The Development of Quantum Theory, 1971), Спиноры в гильбертовом пространстве (Spinors in Hilbert Space, 1974), Общая теория относительности (General Theory of Relativity, 1975). Дирак был награжден Королевской медалью (1939), медалью Копли (1952), получил премию Р.Оппенгеймера и ряд других наград. Умер Дирак в Таллахасси 20 октября 1984.
ЛИТЕРАТУРА
Дирак П. Лекции по квантовой теории поля. М., 1971 Дирак П. Принципы квантовой механики. М., 1979 Джеммер Н. Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985