Жозе Фаус - Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

В конечном итоге Гейзенберг доказал важность обменного оператора для объяснения стабильности различных систем и их свойств.

В конце 1920-х годов квантовая механика стала основой изучения атомных явлений, а квантовая и релятивистская динамика электрона в атоме водорода объяснялась с помощью уравнения Дирака, опубликованного в 1928 году. Одним из важных следствий этого уравнения является существование спина электрона. Кроме того, уравнение предсказывает существование позитрона – идентичной электрону частицы с положительным зарядом. Любопытно, что именно уравнение Дирака стало источником вдохновения для всех авторов-фантастов, писавших об антиматерии.

Основной источник информации о том, что происходит внутри атомов, – это электромагнитное излучение, которое испускается или поглощается во время квантовых скачков электронов между стационарными состояниями. Излучения не существует ни до момента его испускания, ни после того, как оно будет поглощено. Для объяснения этого эффекта требовалось установить связь между электронами и светом в рамках квантовой механики. Первый шаг в нужном направлении сделали Паули и Йордан в 1928 году, описав электромагнитные волны с помощью фотонов и проведя так называемую квантификацию электромагнитного поля. Казалось, все было готово для создания квантовой теории поля для электронов, позитронов и света. Однако появилась она лишь через несколько лет, пока не удалось решить некоторые проблемы. Любая заряженная сфера обладает энергией излучения, обратно пропорциональной ее радиусу. Судя по всему, электрон имеет нулевой радиус, поэтому его энергия излучения бесконечно велика. Если же предположить, что радиус электрона отличен от нуля, мы придем к выводу, несовместимому с теорией относительности. Как видите, в любой формулировке возникают бесконечно большие величины, которые делают расчеты невозможными.

После открытия нейтрона физики сочли, что материя состоит из четырех элементарных частиц: электрона (e), протона (p), нейтрино (v, читается «ню») и нейтрона (n). Электрон и протон имеют электрический заряд (отрицательный и положительный соответственно), модуль которого называется элементарным зарядом (-1,60 х 10-19 Кл). Нейтрино и нейтрон, как следует из названий, не имеют заряда. Этим частицам соответствуют античастицы (они обозначаются теми же символами, но с чертой вверху e, p v, n), из которых только одна частица, антиэлектрон, имеет собственное название – позитрон. Свободный нейтрон распадается на следующие частицы: n→p + e + v. Однако в ядре нейтрон стабилен, за исключением случаев присутствия излишнего числа нейтронов. В этом случае вышеописанный процесс соответствует бета-распаду ядер и обозначается так: (A,Z)→(A,Z+l) + e +v.

Описанная модель имела один важный недостаток. Ранее бета-распад понимался как процесс, в ходе которого ядро (A, Z) преобразовывалось в новое ядро (A, Z + 1) и испускало электрон. Измерения показали, что начальная энергия была больше энергии, полученной новым ядром и свободным электроном, и это противоречит закону сохранения энергии. Паули предположил, что подобное несоответствие обусловлено существованием особой частицы, нейтрино, которая имеет очень малую массу и почти не взаимодействует с материей. Нейтрино впервые был обнаружен в 1950-е, и хотя его масса до сих пор не определена, известно, что она меньше двух миллиардных долей массы протона. Нейтрино почти не взаимодействуют с материей: каждую секунду через наше тело проходит примерно 1012 нейтрино, но мы их совершенно не замечаем. Великое множество этих частиц возникает в результате химических реакций, происходящих внутри Солнца. Сегодня известно, что протоны и нейтроны – это не элементарные частицы. Они состоят из u-кварков и d-кварков (протон p = uud, нейтрон n = udd). Вся материя образована четырьмя частицами – u, d, e, v – и соответствующими античастицами (то есть имеющими противоположный заряд). Существуют еще две группы частиц, подобных частицам первого семейства, но с большей массой. Они проявляются в лабораторных экспериментах и при реакциях с космическими лучами.

Бор по-прежнему настаивал на том, что для описания явлений на уровне элементарных частиц необходима новая теория. Гейзенберг, разделяя эту точку зрения, предположил, что Вселенную можно представить как огромную кристаллическую решетку. Космос – это решетка из крошечных кубических ячеек размером с элементарную частицу. Ячейки представляют собой наименьшую универсальную единицу длины, а на меньших расстояниях современная квантовая теория будет неприменима. Однако эти идеи не вели к каким-либо конкретным результатам, и в 1931 году Гейзенберг написал Бору: «[…] Я отказываюсь рассматривать фундаментальные вопросы, которые для меня слишком сложны». Лишь появление новых результатов, связанных с космическими лучами, заставило Гейзенберга через два года изменить точку зрения.

Британский физик Патрик Блэкетт и итальянец Джузеппе Оккиалини, работавшие в Кембриджском университете, обнаружили, что при улавливании детектором космического луча с очень большой энергией наблюдается поток частиц, по всей видимости, возникающих при столкновении луча с ядрами атомов свинца, которым был покрыт детектор. Вскоре после этого открытия американский ученый Карл Дейвид Андерсон выявил позитрон, существование которого было предсказано уравнением Дирака. При столкновении электрон и позитрон уничтожаются, и рождаются два фотона, которые разлетаются в противоположных направлениях в соответствии с самым знаменитым уравнением физики Е = mc2 .

Верно и обратное: фотон, обладающий достаточно большой энергией, способен породить электрон и позитрон. Согласно закону сохранения импульса, чтобы это произошло, фотон должен столкнуться с ядром атома. Эти открытия вновь пробудили в Гейзенберге интерес к квантовой электродинамике. Он ожидал, что сможет связать свою гипотетическую минимальную единицу длины с длиной волны фотонов, которые присутствуют в потоке частиц, порождаемых космическими лучами. В «дожде частиц» возникают новые частицы, начиная с легчайших – пионов и мюонов. Описание всех этих частиц и античастиц было непростой задачей, ведь следовало учесть все возможные взаимодействия, все возможные процессы и их вероятности. Гейзенберг не мог четко сформулировать квантовую теорию поля (она стала постепенно вырисовываться лишь в 1940-е годы), однако именно он разработал многие основные ее элементы.