# Поль Дирак и уравнение, открывшее антиматерию Источник: https://www.youtube.com/watch?v=Y-W-w8yNiKU Канал: Veritasium Опубликовано: 05.12.2025 --- Поль Дирак в 1928 году представил в Германии доклады о своих недавних работах [0:00]. Его выступление выглядело отстранённым и напоминало чтение технического текста [0:12]. Однако представленные выкладки вызвали панику среди создателей квантовой физики. Вернер Гейзенберг назвал теорию Дирака «самой печальной главой в современной физике» [0:25]. Работа учёного была направлена на объединение теории относительности Эйнштейна и квантовой механики, что привело к обнаружению частиц с отрицательной энергией [1:03]. ## 📉 Математический корень отрицательной энергии [[JUMP:01:03]] Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности в 1905 году [1:18]. Она базируется на идее, что законы физики и скорость света одинаковы для любого наблюдателя, движущегося с постоянной скоростью [1:30]. Это открытие объединило пространство и время в четырёхмерную ткань — пространство-время [1:43]. Уравнение $E=mc^2$ описывает энергию покоя объекта [2:09]. Полная энергия частицы складывается из её импульса и массы покоя [2:22]. При извлечении квадратного корня из формулы математически возникают два решения: положительное и отрицательное [2:47]. В классической физике отрицательные значения просто игнорировали, так как они не имели видимого физического смысла [3:01]. ## 🧪 Ограничения уравнения Шрёдингера [[JUMP:03:51]] Эрвин Шрёдингер в 1926 году сформулировал волновое уравнение, описывающее эволюцию квантовых систем во времени [3:51]. Его решение, волновая функция, дает вероятность нахождения частицы в определенном месте [4:16]. Однако эта модель не учитывала эффекты теории относительности [6:29]. Отсутствие релятивистских поправок приводило к неверным предсказаниям для тяжёлых элементов: * Золото по уравнению Шрёдингера должно быть серебристо-серым, как и другие металлы [5:39]. * Ртуть должна оставаться твердой при комнатной температуре [5:52]. * Электроны в тяжелых атомах движутся со скоростями, близкими к скорости света, что меняет их массу и поведение [6:05]. ## 🧩 Поиск идеального уравнения [[JUMP:08:41]] Нильс Бор считал, что Оскар Клейн уже решил проблему релятивистского электрона [8:41]. Поль Дирак не согласился с этим и начал искать собственное решение. Он ценил математическую красоту выше соответствия эксперименту [9:49]. Дирак считал уравнение Клейна-Гордона несовершенным из-за наличия производной второго порядка по времени [11:11]. Вторая производная требовала знать не только начальное состояние системы, но и скорость изменения волновой функции [12:33]. Это лишало волновую функцию способности полностью описывать состояние частицы. Кроме того, уравнение допускало существование отрицательной вероятности, что Поль Дирак называл физическим абсурдом [13:12]. ## 🔢 Матрицы и четырехкомпонентная волна [[JUMP:16:56]] Для исключения производных второго порядка Поль Дирак применил матрицы [16:56]. Это массивы чисел, в которых порядок умножения влияет на результат [17:10]. Ранее Вернер Гейзенберг использовал матричную алгебру для обоснования принципа неопределенности [19:12]. Поль Дирак пришел к выводу, что для решения его задачи необходимы матрицы размером 4x4 [20:19]. Это привело к созданию уравнения, которое: 1. Является линейным по времени и пространству [22:04]. 2. Симметрично трактует пространственные и временные координаты [22:16]. 3. Использует четырехкомпонентную волновую функцию [22:42]. Уравнение автоматически предсказало наличие у электрона спина — собственного углового момента [23:08]. Спин создает магнитное поле, которое взаимодействует с ядром атома и расщепляет энергетические уровни [23:46]. Поль Дирак признавался, что не планировал включать спин в расчеты специально [24:27]. ## 🕳️ Море Дирака и открытие позитрона [[JUMP:25:05]] Уравнение всё ещё содержало решения с отрицательной энергией [25:32]. Физики опасались, что электроны будут бесконечно излучать свет, проваливаясь в «бездну» отрицательных состояний [25:59]. В 1931 году Поль Дирак предложил радикальную гипотезу о существовании антиэлектрона [26:53]. Он представил вакуум как бесконечное «море» электронов, занимающих все уровни с отрицательной энергией [28:53]. 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 [29:08]. Карл Андерсон в 1932 году случайно обнаружил следы позитрона в облачной камере при изучении космических лучей [27:32]. Частица имела массу электрона, но отклонялась магнитным полем в противоположную сторону [28:13]. Это произошло всего через год после теоретического предсказания Поля Дирака. ## ⏳ Путешествие назад во времени [[JUMP:30:15]] Эрнст Штюкельберг в 1941 году предложил иную интерпретацию отрицательной энергии [30:15]. Он математически доказал, что электрон с отрицательной энергией, движущийся назад во времени, эквивалентен позитрону, движущемуся вперед [30:27]. Ричард Фейнман позже использовал этот подход в своих диаграммах для описания взаимодействий частиц [30:40]. Сегодня известно, что у каждой элементарной частицы есть античастица [31:10]: * Протон — антипротон. * Нейтрино — антинейтрино. * Электрон — позитрон. ## 🌌 Асимметрия Вселенной [[JUMP:31:35]] При встрече материи и антиматерии происходит аннигиляция с выделением фотонов [31:35]. В первые моменты после Большого взрыва Вселенная была заполнена парами частиц и античастиц [32:03]. 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 [32:28]. Эта крошечная разница сформировала нынешнюю Вселенную. Причины преобладания материи остаются предметом дискуссий и исследований [32:54]. Поль Дирак получил Нобелевскую премию в 1933 году совместно с Эрвином Шрёдингером [33:20]. Несмотря на свою замкнутость, он женился на Маргит Вигнер в 1934 году [33:44]. Коллеги шутили, что они были как частица и античастица: он почти не говорил, а она была чрезвычайно общительной [33:57].