Нобелевские лауреаты: Поль Дирак. Предсказатель антивещества

О сочетании несочетаемого, юном гении, предсказании антивещества и о дружбе с Ландау повествует наш новый выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

В 1932-1933 годах Нобелевскую премию по физике получили три человека, которые фактически взорвали всю физическую науку изнутри. Каждому из них можно и нужно посвящать несколько томов биографии, а не одну, хоть и немалого объема, заметку. Более того, два из трех выполнили свои прорывные работы в таком возрасте, когда некоторые только заканчивают университет, а затем долгие годы работали на высочайшем уровне. Немцу Вернеру Гейзенбергу мы уже посвятили материал, теперь же настала очередь человека, сперва носившего швейцарское, а затем британское подданство, — Поля Дирака. Ну а об австрийце Эрвине Шредингере и его коте мы поговорим в среду.

Поль Адриен Морис Дирак

Родился: 8 августа 1902 года, Бристоль, Великобритания

Умер: 20 октября 1984 года, Таллахасси, Флорида, США

Нобелевская премия по физике 1933 года (1/2 премии, совместно с Эрвином Шредингером). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие новых продуктивных форм атомной теории» (for the discovery of new productive forms of atomic theory).

«В Бристоль, друзья!»

Итак, наш герой, несмотря на франкофонское имя и фамилию, родился в Великобритании, в Бристоле. Это объясняется достаточно просто: его отец, Шарль Адриен Ладислас Дирак, эмигрировал в Великобританию из швейцарского Сан-Мориса (Saint-Maurice, не путать со столицей Зимних Олимпийских игр Санкт-Морицем, St. Moritz). Кстати, в единственном биографическом справочнике всех нобелиатов, двухтомнике издательства «Прогресс», который вышел в 1992 году и был переводом американского издания The H.W. Wilson Company, в биографии нашего героя — глупейшая опечатка (мне неизвестно, есть ли она в оригинале): там Шарль Дирак назван эмигрантом из Швеции. И из этой книжки ошибка пошла гулять по десяткам русскоязычных биографий его сына.

Итак, отец будущего нобелевского лауреата 1933 года переехал из Швейцарии в Туманный Альбион. Здесь, в Бристоле, Шарль преподавал свой родной французский язык и однажды повстречал уроженку Корнуэлла Флоренс Ханну Холтен, капитанскую дочку, работавшую в Центральной библиотеке Бристоля. Плодом их любви стали трое детей: старший — Реджинальд Чарльз Феликс, которого все будут звать просто Феликс; средний — Поль Адриен Морис; младшая — Беатрис Изабель Маргарет, которую все будут звать просто Бетти.

Родители были заботливыми, хотя, похоже, Поль воспринимал это как должное и понял, насколько дороги они были своим родителям, только в 1925 году, когда покончил с собой его старший брат. Он вспоминал: «Мои родители были ужасно расстроены. Я не знал, что они так сильно заботятся... Я никогда не знал, что родители должны заботиться о своих детях, но с тех пор (со времени смерти брата — прим. Indicator.Ru) я знаю [, как было на самом деле]».

Ранние годы

Шарль Дирак и дети оставались швейцарскими подданными аж до 1919 года, когда отец наконец-то натурализовался и стал подданным Его Величества, как и трое Дираков-младших. Интересно, что Шарль требовал от всех, чтобы в семье говорили только по-французски. Видимо, поэтому будущий великий физик предпочитал молчать. И размышлять.

После средней школы — Технического колледжа Бристоля, где учились только мальчики и был естественнонаучный уклон, — Дирак учился хорошо и быстро: тогда шла Первая мировая и места в старших классах быстро освобождались. В год окончания войны наш герой поступил в Бристольский университет на инженерный факультет. Уже тогда имея склонность к геометрии и алгебре, Дирак видел научный смысл в строгих, четких вычислениях и точных уравнениях. Как он потом вспоминал сам, инженерный факультет приблизил его к реальной науке и жизни: «Раньше я видел смысл лишь в точных уравнениях. Мне казалось, что если пользоваться приближенными методами, то работа становится невыносимо уродливой, в то время как мне страстно хотелось сохранить математическую красоту. Инженерное образование, которое я получил, как раз научило меня смиряться с приближенными методами, и я обнаружил, что даже в теориях, основанных на приближениях, можно увидеть достаточно много красоты…»

Кстати, именно тогда, в годы учебы Дирака, на мир обрушилась теория относительности. Не математический аппарат, известный физикам с 1905 года, а культурный феномен.

Начало необычайной эпохи

«В мир с сокрушительной силой ворвалась теория относительности. О ней неожиданно заговорили все. В газетах было полно сообщений о теории относительности. Журналы печатали статьи разных авторов. Одни выступали за теорию относительности, но были и такие, которые выступали против. Теорию относительности понимали тогда в очень широком смысле — ее взяли на вооружение и философы, и люди других, самых разных профессий. Нетрудно понять причину столь головокружительного успеха. Мы тогда только что пережили очень серьезную и страшную войну. <…> Потом эта жуткая война совершенно неожиданно пришла к концу. В результате все устали. Хотелось бы о ней забыть. И тогда возникла теория относительности, замечательная идея, открывающая дорогу к новому образу мышления. В этом было бегство от войны. Мне кажется, что ни до ни после ни одна научная мысль, которой удавалось завладеть умами широкой публики, не производила равного по своей силе эффекта». Началась «необычайная эпоха» — так называл бурление молодой физики сам Дирак, а его статья «Воспоминания о необычайной эпохе», откуда мы взяли цитату выше, стала классикой научных мемуаров.

Обучение продолжалось три года. Кстати, нужно отметить, что сам Дирак уделял внимание и философии. Как он сам вспоминал, несколько студентов инженерного факультета сначала ходили на эти лекции, но потом они отсеялись. «Я выдержал до конца, изо всех сил пытаясь понять философию. Мои сокурсники инженеры, обладавшие сугубо практическим взглядом на вещи, решили, что инженеру не нужны философские проблемы, и перестали ходить на лекции. Мне, однако, казалось, что в философии что-то есть, и я прилагал все усилия к тому, чтобы разобраться в точке зрения, на которой стоят философы. Кроме того, я немного почитал о философии». Справедливости ради отметим, что в итоге Дирак пришел к выводу, что «не считает философию наукой, которая может способствовать развитию физики», и в этом был оппонентом нобелевского лауреата по физике 1932 года, Вернера Гейзенберга, который во второй половине жизни много времени уделял философии.

В 1921 году Дирак стал бакалавром электротехники, однако, несмотря на правильные изменения в мышлении нашего героя, которые внесла инженерная специальность, работа инженером Дирака совсем не привлекала. Поэтому, наверное, хорошо, что во время практики на машиностроительном заводе Регби он не очень хорошо себя проявил, а то, как знать, вместо великого физика и нобелевского лауреата мы бы получили среднего машиностроителя или механизатора в британской провинции.

Самому Дираку было не до смеха: работы не было, пойти учиться в Кембридж он не мог. Стипендии просто бы не хватило на то, чтобы жить (знакомое состояние для российских студентов), а власти Бристоля не имели права оказать ему поддержку: британское подданство у Поля было всего два года. К счастью, в самом Бристоле его знали и любили, и сотрудники университета позволили ему поучиться математике «просто так». Так что два года Поль Дирак был вольнослушателем и в 1923 году сдал итоговый экзамен с отличием, получил стипендию Бристольского университета, грант от бристольского Отдела образования и укатил в Кембридж в аспирантуру.

Но и там все получилось не так, как хотел Дирак: он хотел заниматься теорией относительности, а научный руководитель, Ральф Говард Фаулер, специалист в области статистической механики, заставил его работать по своей тематике (снова все как всегда). Так что начинал Дирак почти как астрофизик: он рассчитывал только что открытое Артуром Комптоном рассеяние фотонов на электронах для астрофизических приложений.

Уравнение Дирака

Именно Фаулер познакомил Дирака с теорией атома Бора — Зоммерфельда, в которую юный физик нырнул с головой (тогда ему был всего 21 год). Два года спустя, как мы помним, появились первые варианты квантовой механики: Вернера Гейзенберга (матричный), а затем и Эрвина Шредингера (волновой). У этих вариантов были ограничения: они были применимы лишь к частицам, которые двигались с малой скоростью и не учитывали эффекты теории относительности. Первым попытался снять эти ограничения Шредингер, но не справился. И здесь пробил звездный час Дирака. Его работы, сделанные всего за три года, когда ему было 23-25 лет, оказали огромное влияние на всю дальнейшую физику.

Вот как писал об этом Абдус Салам, получивший Нобелевскую премию за объединение электромагнитного и слабого взаимодействия: «Поль Адриен Морис Дирак, без сомнения, один из величайших физиков этого, да и любого другого столетия. В течение трех решающих лет — 1925, 1926 и 1927 — своими тремя работами он заложил основы, во-первых, квантовой физики в целом, во-вторых, квантовой теории поля и, в-третьих, теории элементарных частиц… Ни один человек, за исключением Эйнштейна, не оказал столь определяющего влияния за столь короткий период времени на развитие физики в этом столетии».

Вернемся к конкретным результатам. Если говорить о главном вкладе в квантовую механику, то речь, конечно, пойдет о знаменитом уравнении Дирака. Британец учел такую характеристику электрона, как спин. Несмотря на то, что само слово «спин» означает «вращение», это очень грубое объяснение сугубо квантовой характеристики. Правильнее говорить просто о собственном моменте импульса электрона (впрочем, у всех других элементарных частиц тоже есть спин), не связанном с передвижением частицы как целого. В 1928 году Поль Дирак опубликовал уравнение, которое ввело теорию относительности в волновую функцию. Уравнение прекрасно согласовывалось с экспериментальными данными и содержало в себе массу предсказаний. Давайте просто перечислим, что сумел «вытащить» Дирак, скрестив Эйнштейна со Шредингером. Во-первых, спин перестал быть теоретической величиной, а стал реальным свойством реальных частиц. Во-вторых, уравнение предсказывало магнитный момент электрона (привет МРТ). В-третьих, изучая предсказанную уравнением отрицательную энергию электрона, Дирак предсказал позитрон и античастицы вообще (привет позитронно-эмиссионной томографии). Как и аннигиляцию (привет всей научной фантастике и отдельно Дэну Брауну с его «Ангелами и демонами»). Неплохо для 26-летнего!

Вполне достойный результат, за который наш герой совершенно справедливо был удостоен Нобелевской премии. Забавный момент: ненавидевший публичность, шумиху и прессу, Дирак хотел отказаться от премии. Спас ситуацию Резерфорд, мудро сказав младшему коллеге, что, если тот откажется, шума и журналистов будет еще больше: премию-то вручают уже треть века, и до сих пор никто не отказывался. (Кстати, интересно, может быть, Сартр думал именно так?)

После Нобеля

Некоторые предсказания сбылись еще до Нобелевской премии. Так, позитрон открыл Карл Андерсон в 1932 году (он тоже получит свою премию). А Дирак продолжал работу. В нашем коротком очерке не получится даже просто перечислить все факты биографии и научные достижения Дирака. А ведь почти каждое из них крайне важно для современной физики. И носитель магнитного заряда, монополь Дирака, который до сих пор то ли существует, то ли нет – частица не обнаружена, и эффект отражения электронов от стоячей волны электромагнитного излучения (эффект Капицы — Дирака), и монография «Принципы квантовой механики», и статистика распределения для фермионов (статистика Ферми — Дирака), и многое другое, например, дружба с Ландау, по поводу которой часто расказывают такой вот анекдот:

В 1932 году Поль Дирак прибывает в Харьков, чтобы участвовать в конференции, организованной Ландау в УФТИ. Он выступает на семинаре с лекцией. Ландау сидит недалеко от доски, аспиранты за столом, а Дирак пишет на доске формулы и, продолжая объяснять, ходит от доски к окну и обратно. Каждый раз, когда он поворачивается спиной к Ландау, который с ним в чем-то несогласен, тот тихонько произносит: «Дирак – дурак, Дирак – дурак». Дирак поворачивается лицом – у Дау рот закрыт и выражение совершенно невинное. Он считает, что нельзя догадаться, что это он произносит глупый стишок, но на самом деле глаза его выдают: слишком уж сияют от проделки. Наконец лектор кончил, положил мел. И вдруг (кто бы подумал, что он успел так хорошо изучить русский язык!), повернувшись к Дау, он говорит: «Сам дурак, сам дурак».

Можно вспомнить и его работу в Бомбее, и наставничество над Субраманьяном Чандрасекаром, установившим предел массы белого карлика… Современную книгу-биографию Поля Дирака еще предстоит написать.

А в завершение нашего короткого экскурса в жизнь одного из величайших ученых, живших на нашей Земле, мы приведем еще одну цитату из Дирака, которой он описывал то, что сам он думал о работе ученого: «Физик предпочитает забыть путь, который привел его к открытию. Он шел по извилистой дороге, сворачивая на ложные тропы — об этом не хочется теперь даже вспоминать. Ему, может быть, даже стыдно, он разочарован собой, тем, что он так долго возился. «Сколько времени я потерял, пойдя по такому пути,— говорит он сам себе.— Я же должен был сразу понять, что эта дорога никуда не ведет». Когда открытие уже сделано, оно обычно кажется таким очевидным, что остается лишь удивляться, как никто не додумался до этого раньше. В таких условиях никому не захочется вспоминать о той работе, которая привела к открытию».

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.