Дирак (Dirac), Поль Адриен Морис

Английский физик Поль Адриен Морис Дирак родился в Бристоле, в семье уроженца Швеции Чарлза Адриена Ладислава Дирака, учителя французского языка в частной школе, и англичанки Флоренс Ханны (Холтен) Дирак. Сначала Дирак учился в коммерческом училище в Бристоле, а потом изучал электротехнику в Бристольском университете, который окончил в 1921 г. со степенью бакалавра наук. Еще в университете он заинтересовался теорией относительности Альберта Эйнштейна и в течение двух лет сверх обычного курса изучал математику. Затем он поступил в аспирантуру по математике колледжа св. Иоанна в Кембридже и в 1926 г. защитил докторскую диссертацию. В следующем году Дирак стал членом научного совета того же колледжа.

В годы, когда Дирак проходил аспирантуру в Кембридже, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер разработали свои формулировки квантовой механики, применив квантовую теорию к описанию поведения атомных и субатомных систем и движения таких частиц, как электрон. Дирак начал изучать уравнения Гейзенберга и Шредингера, как только те были опубликованы в 1925 г., высказав при этом несколько полезных замечаний. Одним из недостатков квантовой механики было то, что она была разработана лишь применительно к частицам, обладающим малой скоростью (по сравнению со скоростью света), а это позволяло пренебречь эффектами, рассматриваемыми теорией относительности Эйнштейна. Эффекты теории относительности, такие, как увеличение массы частицы с возрастанием скорости, становятся существенными, только когда скорости начинают приближаться к скорости света. Шредингер первым попытался снять ограничение на скорость в квантовой механике, но не преуспел в этом.

Одна из причин постигшей его неудачи состояла в том, что он не учел такое свойство электрона, как спин (вращение вокруг собственной оси наподобие волчка), которое в то время было лишь гипотезой при объяснении некоторых, не укладывающихся в рамки традиционного описания деталей линейчатых спектров. Дирак поставил перед собой задачу ввести относительность в волновое уравнение, записав его в релятивистской форме. Выведенное им и опубликованное в 1928 г. уравнение называется теперь уравнением Дирака. Оно позволило достичь согласия с экспериментальными данными. В частности, спин, бывший ранее гипотезой, подтверждался уравнением Дирака. Это было триумфом его теории. Кроме того, уравнение Дирака позволило предсказать магнитные свойства электрона (магнитный момент).

Но этим сюрпризы, которые таила в себе теория Дирака, не исчерпывались. Теория указывала на возможность существования отрицательных энергий, не поддающихся интерпретации с точки зрения науки того времени. Преодолев искушение отбросить отрицательные энергии как «математическую аберрацию», лишенную физического смысла, Дирак пришел к заключению, что состояния с отрицательной энергией реально существуют. Рассматривая действие электромагнитного поля на электрон в состоянии с отрицательной энергией, он обнаружил, что движение электрона в этом случае эквивалентно движению электрона с противоположным, т.е. положительным, электрическим зарядом. Дирак предположил, что положительно заряженной частицей может быть протон.

Применяя принцип запрета Вольфганга Паули, согласно которому в каждом динамическом состоянии может находиться только один электрон, Дирак высказал предположение о том, что почти все состояния с отрицательной энергией уже заняты, поэтому однородный фон ненаблюдаем. Но вакантное (незанятое) энергетическое состояние, подобно дырке в однородной «безликой» среде, может наблюдаться. Дырка ведет себя как положительно заряженный электрон. Кроме того, поскольку она соответствует недостатку отрицательной энергии, ее энергия положительна, как и энергия всех известных частиц. Таким образом, Дирак предсказал существование античастицы, близнеца электрона. Он показал также, что электрон может занять вакантную дырку, а это эквивалентно столкновению электрона с антиэлектроном, в результате чего обе частицы аннигилируют с высвобождением энергии в виде фотона излучения. Дираку же принадлежит теоретическое предсказание возможности рождения электрон-антиэлектронной пары из фотона достаточно большой энергии. Предсказанный Дираком антиэлектрон был открыт в 1932 г. Карлом Д. Андерсеном и был назван позитроном. Позднее подтвердилось и предположение Дирака о возможности рождения пары. Впоследствии Дирак выдвинул гипотезу о том, что и другие частицы, такие, как протон, также должны иметь свои аналоги из антиматерии, но для описания таких пар частиц и античастиц потребовалась бы более сложная теория. Существование антипротона было подтверждено экспериментально в 1955 г. Оуэном Чемберленом. В настоящее время известны и многие другие античастицы.

Уравнение Дирака позволило внести ясность в проблему рассеяния рентгеновского излучения веществом. Было доказано, что рентгеновское излучение после рассеяния имеет более короткие длины волн (обладает меньшей проникающей способностью), чем первоначальное. Это противоречило старой теории, которая утверждала неизменность длины волны при рассеянии. В 1923 г. Артур Комптон открыл так называемый эффект Комптона, который количественно показал, что фотон рентгеновского излучения взаимодействует с отдельным электроном. Электрон приходит в движение, и приобретенная им кинетическая энергия вычитается из энергии рентгеновского фотона. Рассеянный фотон обладает меньшей энергией, чем до рассеяния, и, следовательно, соответствует рентгеновскому излучению с меньшей частотой и большей длиной волны. Взаимодействие фотона с электроном математически имеет много общего со столкновением бильярдных шаров. Открытие эффекта Комптона еще раз подтвердило двойственную природу излучения – дуализм волна-частица. Рентгеновское излучение сначала ведет себя как волна, затем взаимодействует с электроном как частица (фотон) и после столкновения вновь подобна волне. Теория Дирака дает подробное количественное описание такого взаимодействия.

Позднее Дирак (и независимо от него Энрико Ферми) открыл статистическое распределение энергии в системе электронов, известное теперь под названием статистики Ферми – Дирака. Эта работа имела большое значение для теоретического осмысления электрических свойств металлов и полупроводников.

Дирак предсказал также существование магнитных монополей – изолированных положительных или отрицательных магнитных частиц, подобных положительно или отрицательно заряженным электрическим частицам. Попытки экспериментально обнаружить магнитные монополя до сих пор не увенчались успехом. Все известные магниты имеют два полюса – северный и южный, которые неотделимы друг от друга. Дирак высказал предположение и о том, что природные физические константы, например гравитационная постоянная, могут оказаться не постоянными в точном смысле слова, а медленно изменяться со временем. Ослабление гравитации, если оно вообще существует, происходит настолько медленно, что обнаружить его чрезвычайно трудно, и поэтому оно остается гипотетическим.

Дирак и Шредингер получили Нобелевскую премию по физике 1933 г. «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». «С общефилософской точки зрения, – сказал Дирак в своей краткой Нобелевской лекции, – число различных типов элементарных частиц (по крайней мере, так кажется на первый взгляд) должно быть минимально, например один или самое большее два... Но из экспериментальных данных известно, что число различных типов гораздо больше. Более того, число типов элементарных частиц обнаруживает в последние годы весьма тревожную тенденцию к увеличению». В заключение лекции Дирак указал на вытекающую из симметрии между положительными и отрицательными электрическими зарядами возможность существования «звезд... состоящих главным образом из позитронов и антипротонов. Возможно, одна половина звезд принадлежит к одному типу, а другая – к другому. Эти два типа звезд должны были бы обладать одинаковыми спектрами, и различить их методами современной астрономии было бы невозможно».

После завершения работ по релятивистской квантовой механике Дирак много путешествовал, побывал в университетах Японии, Советского Союза и Соединенных Штатов. С 1932 г. и до ухода в отставку в 1968 г. он был профессором физики в Кембридже (ту же кафедру некогда занимал Исаак Ньютон). После того как Дирак оставил Кембридж, он был приглашен во Флоридский университет, профессором которого оставался до конца жизни. Дирак скончался в Таллахасси в 1984 г.

В 1937 г. Дирак женился на Маргит Вигнер, сестре физика Эугена П. Вигнера. У них было две дочери. Дирак был тихим, замкнутым и немногословным человеком. Он предпочитал работать в одиночку, и непосредственных учеников у него было мало. Дирак любил дальние пешеходные прогулки.

Помимо Нобелевской премии, Дирак был награжден Королевской медалью (1939) и медалью Копли (1952) Лондонского королевского общества (членом которого он стал в 1930 г.). Он был избран иностранным членом американской Национальной академии наук (1949) и членом Папской академии наук (1961). В 1973 г. Дирак был награжден орденом «За заслуги» Великобритании.