Кафедра інформатики КПНУ ім. І. Огієнка

Studies in tota vita

Дірак (Dirac) Поль Адріан Моріс (8.VIII.1902-20.X.1984) Англійський фізик-теоретик, один із засновників квантової механіки, член Лондонського королівського суспільства (1930).

Дірак розробив так звану теорію перетворень у квантовій механіці (1926-27), вніс значний вклад у розробку квантової статистики, зокрема їм був установлений зв'язок між характером статистичного розподілу й властивостями симетрії хвильових функцій (1925). Побудував (1928) квантовомеханічну теорію електрона, що задовольняє вимогам теорії відносності. Теорія Дірака природно включила спин у число квантовомеханічних характеристик електрона й дозволила пояснити аномальний ефект Зеємана й тонку структуру спектра воднеподібних атомів.

Особливо важливим результатом теорії Дірака було те, що вона пророкувала існування частки з масою, рівній масі електрона, але володіти позитивним зарядом. Відкриття в 1932 позитрона (а потім і інших античастинок) і процесів анігіляції й народження пар з'явилося блискучим підтвердженням теорії Дірака. Ряд робіт Дірка присвячений різним аспектам квантової теорії поля, зокрема Дірак уперше застосував метод вторинного квантування, що знайшов надалі широке застосування в теоретичній фізиці. Іноземний член АН СРСР (1931) і ряду закордонних академій і наукових суспільств. Нобелівська премія (1933). В роки, коли Дірак проходив аспірантуру в Кембриджі, Вернер Гейзенберг і Ервін Шредінгер розробили свої формулювання квантової механіки, застосувавши квантову теорію до опису поведінки атомних і субатомних систем і руху таких частинок, як електрон.

Дірак почав вивчати рівняння Гейзенберга і Шредінгера, як тільки ті були опубліковані в 1925, виказавши при цьому декілька корисних зауважень. Одним з недоліків квантової механіки було те, що вона була розроблена лише стосовно частинок, що мають малу швидкість (у порівнянні з швидкістю світла), а це дозволяло нехтувати ефектами, що розглядаються теорією відносності Ейнштейна. Ефекти теорії відносності, такі, як збільшення маси частинки із зростанням швидкості, стають істотними, тільки коли швидкості починають наближатися до швидкості світла. Шредінгер першим спробував зняти обмеження на швидкість в квантовій механіці, але не досяг успіху в цьому. Одна з причин, якими пояснувалися його невдачі, полягала в тому, що він не врахував таку властивість електрона, як спін (обертання навкруги власної осі на зразок дзиґи), яке у той час було лише гіпотезою при поясненні деяких деталей лінійчастих спектрів, , що не вкладалися в рамки традиційного опису.

Дірак поставив перед собою задачу ввести відносність у хвильове рівняння, записавши його в релятивістській формі. Виведене ним і опубліковане 1928 року рівняння зветься тепер рівнянням Дірака. Воно дозволило досягти згоди з експериментальними даними. Зокрема, спін, що був раніше гіпотезою, підтверджувався рівнянням Дірака. Це було тріумфом його теорії. Крім того, рівняння Дірака дозволило передбачити магнітні властивості електрона (магнітний момент). Але цим сюрпризи, які таїла в собі теорія Дірака, не вичерпувалися. Теорія вказувала на можливість існування негативних енергій, які з погляду науки того часу не можна було інтерпретувати. Подолавши спокусу відкинути від'ємні енергії як «математичну аберацію», позбавлену фізичного значення, Дірак прийшов до висновку, що стани з від'ємною енергією реально існують. Розглядаючи дію електромагнітного поля на електрон з від'ємною енергією, він знайшов, що рух електрона в цьому випадку еквівалентний руху електрона з протилежним, тобто позитивним, електричним зарядом. Дірак припустив, що позитивно зарядженою частинкою може бути протон. Застосовуючи принцип виключення Вольфґанґа Паулі, згідно з яким у кожному динамічному стані може перебувати тільки один електрон, Дірак висловив припущення про те, що майже всі стани з від'ємною енергією вже зайняті, тому однорідний фон неспостережний. Але вакантний (незайнятий) енергетичний стан, подібно до дірки в однорідному «безликому середовищі», може спостерігатися. Дірка поводиться як позитивно заряджений електрон. Крім того, оскільки вона відповідає недостачі від'ємної енергії, її енергія додатна, як і енергія всіх відомих частинок.

Таким чином, Дірак передбачив існування античастки, близнюка електрона. Він показав також, що електрон може зайняти вакантну дірку, а це еквівалентно зіткненню електрона з «антиелектроном», внаслідок чого обидві частинки анігілюють з тим, що вивільняється енергії у вигляді кванта випромінювання — фотона. Діраку ж належить теоретичний прогноз можливості народження електрон-антиелектронної пари з фотона достатньо великої енергії. Передбачений Діраком антиелектрон був відкритий в 1932 року Карлом Д. Андерсеном і отримав назву позитрон. Пізніше підтвердилося і припущення Дірака про можливість народження пари.

Згодом Дірак висунув гіпотезу про те, що й інші частинки, такі, як протон, також повинні мати свої аналоги з антиматерії, але для опису таких пар частинок і античасток була потрібно б складніша теорія. Існування антипротона було підтверджено експериментально 1955 року Оуеном Чемберленом. В наш час відомі і багато інших античасток. Рівняння Дірака дозволило внести ясність в проблему розсіювання рентгенівського випромінювання речовиною. Було доведено, що рентгенівське випромінювання після розсіяння може відмінну від первинного довжину хвилі. Це суперечило старій теорії, яка стверджувала незмінність довжини хвилі при розсіюванні. У 1923 Артур Комптон відкрив так званий ефект Комптона, який кількісно показав що фотон рентгенівського випромінювання взаємодіє з окремим електроном. Електрон приходить в рух, і придбдана ним кінетична енергія віднімається від енергії рентгенівського фотона. Розсіяний фотон має меншу енергію, ніж до розсіяння і, отже, відповідає рентгенівському випромінюванню з меншою частотою і більшою довжиною хвилі. Взаємодія фотона з електроном математично має багато спільного із зіткненням більярдних куль. Відкриття ефекту Комптона ще раз підтвердило подвійну природу випромінювання — корпускулярно-хвильовий дуалізм. Рентгенівське випромінювання спочатку веде себе як хвиля, потім взаємодіє з електроном як частинка (фотон) і після зіткнення знов розповсюджується, як хвиля. Теорія Дірака дає докладний кількісний опис такої взаємодії. Пізніше Дірак (і незалежно від нього Енріко Фермі) відкрив статистичний розподіл енергії в системі електронів, відомий тепер під назвою статистика Фермі-Дірака. Ця робота мала велике значення для теоретичного осмислення електричних властивостей металів і напівпровідників. Дірак передбачив також існування магнітних монополів — ізольованих позитивних або негативних магнітних частинок, подібних до позитивно або негативно заряджених електричних частинок.

Спроби експериментально знайти магнітні монополі досі не увінчалися успіхом. Всі відомі магніти мають два полюси — північний і південний, які невіддільні один від одного. Дірак висловив припущення і про те що природні фізичні константи, наприклад гравітаційна стала, можуть виявитися не постійними в точному значенні слова, а поволі змінюватися з часом. Ослаблення гравітації, якщо воно взагалі існує, відбувається настільки поволі, що знайти його надзвичайно важко, і тому воно залишається гіпотетичним. Дірак і Шредінгер отримали Нобелівську премію з фізики у 1933 «за відкриття нових продуктивних форм атомної теорії». «Із загальнофілософської точки зору, — сказав Дірак в своїй короткій Нобелівській лекції, — кількість різних типів елементарних частинок (принаймні, так здається на перший погляд) повинна бути мінімальною, наприклад одна або найбільше дві. Але з експериментальних даних відомо, що кількість різних типів набагато більша. Більш того, кількість типів елементарних частинок проявляє останніми роками вельми тривожну тенденцію до збільшення». На закінчення лекції Дірак вказав на можливість існування «зірок, що складаються головним чином з позитронів і антипротонів, що витікає з симетрії між додатними і від'ємними електричними зарядами. Можливо, одна половина зір належить до одного типу а інша — до іншого. Ці два типи зірок повинні були б мати однакові спектри, і розрізнити їх методами сучасної астрономії б було неможливо». Після завершення робіт із релятивістської квантової механіки Дірак багато подорожував, побував в університетах Японії, Радянського Союзу і Сполучених Штатів. З 1932 року і до виходу у відставку в 1968 він був професором фізики в Кембриджі (ту ж кафедру колись займав Ісаак Ньютон). Після того, як Дірак залишив Кембридж, він був запрошений у Флоридський університет, професором якого залишався до кінця життя. Дірак помер у Таллахассі в 1984. У 1937 Дірак одружився з Маргіт Вігнер, сестрою фізика Юджина Пола Вігнера. У них було дві дочки. Дірак був тихою, замкнутою і небагатослівною людиною. Він вважав за краще працювати поодинці, й безпосередніх учнів у нього було мало. Дірак любив довгі пішохідні прогулянки.

Джерело: http://uk.wikipedia.org

Gravatar

Comments

Comments are closed on this post.