Поль Дирак в 1928 году представил в Германии доклады о своих недавних работах . Его выступление выглядело отстранённым и напоминало чтение технического текста . Однако представленные выкладки вызвали панику среди создателей квантовой физики. Вернер Гейзенберг назвал теорию Дирака «самой печальной главой в современной физике» . Работа учёного была направлена на объединение теории относительности Эйнштейна и квантовой механики, что привело к обнаружению частиц с отрицательной энергией .
📉 Математический корень отрицательной энергии 1:03
Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности в 1905 году . Она базируется на идее, что законы физики и скорость света одинаковы для любого наблюдателя, движущегося с постоянной скоростью . Это открытие объединило пространство и время в четырёхмерную ткань — пространство-время .
Уравнение $E=mc^2$ описывает энергию покоя объекта . Полная энергия частицы складывается из её импульса и массы покоя . При извлечении квадратного корня из формулы математически возникают два решения: положительное и отрицательное . В классической физике отрицательные значения просто игнорировали, так как они не имели видимого физического смысла .
🧪 Ограничения уравнения Шрёдингера 3:51
Эрвин Шрёдингер в 1926 году сформулировал волновое уравнение, описывающее эволюцию квантовых систем во времени . Его решение, волновая функция, дает вероятность нахождения частицы в определенном месте . Однако эта модель не учитывала эффекты теории относительности .
Отсутствие релятивистских поправок приводило к неверным предсказаниям для тяжёлых элементов:
- Золото по уравнению Шрёдингера должно быть серебристо-серым, как и другие металлы .
- Ртуть должна оставаться твердой при комнатной температуре .
- Электроны в тяжелых атомах движутся со скоростями, близкими к скорости света, что меняет их массу и поведение .
🧩 Поиск идеального уравнения 8:41
Нильс Бор считал, что Оскар Клейн уже решил проблему релятивистского электрона . Поль Дирак не согласился с этим и начал искать собственное решение. Он ценил математическую красоту выше соответствия эксперименту . Дирак считал уравнение Клейна-Гордона несовершенным из-за наличия производной второго порядка по времени .
Вторая производная требовала знать не только начальное состояние системы, но и скорость изменения волновой функции . Это лишало волновую функцию способности полностью описывать состояние частицы. Кроме того, уравнение допускало существование отрицательной вероятности, что Поль Дирак называл физическим абсурдом .
🔢 Матрицы и четырехкомпонентная волна 16:56
Для исключения производных второго порядка Поль Дирак применил матрицы . Это массивы чисел, в которых порядок умножения влияет на результат . Ранее Вернер Гейзенберг использовал матричную алгебру для обоснования принципа неопределенности .
Поль Дирак пришел к выводу, что для решения его задачи необходимы матрицы размером 4x4 . Это привело к созданию уравнения, которое:
- Является линейным по времени и пространству .
- Симметрично трактует пространственные и временные координаты .
- Использует четырехкомпонентную волновую функцию .
Уравнение автоматически предсказало наличие у электрона спина — собственного углового момента . Спин создает магнитное поле, которое взаимодействует с ядром атома и расщепляет энергетические уровни . Поль Дирак признавался, что не планировал включать спин в расчеты специально .
🕳️ Море Дирака и открытие позитрона 25:05
Уравнение всё ещё содержало решения с отрицательной энергией . Физики опасались, что электроны будут бесконечно излучать свет, проваливаясь в «бездну» отрицательных состояний . В 1931 году Поль Дирак предложил радикальную гипотезу о существовании антиэлектрона .
Он представил вакуум как бесконечное «море» электронов, занимающих все уровни с отрицательной энергией . Согласно принципу исключения Паули, обычные электроны не могут занять эти места. Пустое место в таком «море» (дырка) ведет себя как частица с положительным зарядом — позитрон .
Карл Андерсон в 1932 году случайно обнаружил следы позитрона в облачной камере при изучении космических лучей . Частица имела массу электрона, но отклонялась магнитным полем в противоположную сторону . Это произошло всего через год после теоретического предсказания Поля Дирака.
⏳ Путешествие назад во времени 30:15
Эрнст Штюкельберг в 1941 году предложил иную интерпретацию отрицательной энергии . Он математически доказал, что электрон с отрицательной энергией, движущийся назад во времени, эквивалентен позитрону, движущемуся вперед . Ричард Фейнман позже использовал этот подход в своих диаграммах для описания взаимодействий частиц .
Сегодня известно, что у каждой элементарной частицы есть античастица :
- Протон — антипротон.
- Нейтрино — антинейтрино.
- Электрон — позитрон.
🌌 Асимметрия Вселенной 31:35
При встрече материи и антиматерии происходит аннигиляция с выделением фотонов . В первые моменты после Большого взрыва Вселенная была заполнена парами частиц и античастиц . Если бы их количество было равным, они бы полностью уничтожили друг друга, оставив только свет.
Ученые подсчитали, что на каждый миллиард пар частиц выжила только одна частица материи . Эта крошечная разница сформировала нынешнюю Вселенную. Причины преобладания материи остаются предметом дискуссий и исследований .
Поль Дирак получил Нобелевскую премию в 1933 году совместно с Эрвином Шрёдингером . Несмотря на свою замкнутость, он женился на Маргит Вигнер в 1934 году . Коллеги шутили, что они были как частица и античастица: он почти не говорил, а она была чрезвычайно общительной .
