Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Дирак отрыл магнитный монополь в 1931 году. Однако это открытие было сочтено наименее важным из его научных заслуг. Значение работ ученого со временем уменьшилось, впрочем, подобное произошло со многими физиками его поколения. Тем не менее Дирак продолжал исследовательскую деятельность и регулярно публиковал статьи — до самой своей смерти.

Ни одна из статей Дирака, опубликованных после 1934 года, не была столь же оригинальной и важной, как его предыдущие работы. Однако он продолжал регулярно публиковать свои исследования. Помимо бесконечных попыток найти новую формулировку квантовой электродинамики, Дирак работал и в других областях, таких как космология. Он эпизодически участвовал в некоторых экспериментальных исследованиях (вместе со своим другом Капицей), а во время войны включался в военные проекты. В этой главе мы кратко рассмотрим его теорию магнитного монополя и идеи ученого в области космологии.

В личном плане большие перемены в жизни Дирака наступили, когда ему уже было более 30 лет: смерть отца в 1936 году, которая стала для него освобождением, его женитьба в 1937 году, рождение детей и переезд во Флориду. Дирак продолжал научную работу, но был вынужден сочетать ее с новыми семейными обязанностями. На его отношения с коллегами, особенно с русскими и немецкими, повлияли страшные годы Второй мировой войны и темный период холодной войны. Именно тогда Дирак стал говорить о том, что в основе всех научных открытий должен лежать «принцип математической красоты». Этот принцип стал самым дорогим его кредо. В чем же он заключался?

Дирак является одним из самых блестящих физиков в истории этой науки, однако его имя остается малоизвестным. Работы ученого стали фундаментом современной физики, а об открытом им антивеществе сегодня знают все — по крайней мере по книгам и фильмам в жанре научной фантастики. Впрочем, кто бы мог представить, что античастицы позволят усовершенствовать медицинские технологии, столь полезные для общества?

МАГНИТНЫЙ МОНОПОЛЬ

В школе нас учат, что у магнита есть два разных полюса. Если его разделить на две части или больше, каждая из этих частей также будет иметь два полюса — как уменьшенное подобие первого магнита. Но обосновано ли данное утверждение? Наряду с существованием электрона, частицы — носительницы элементарного электрического заряда, можно ввести и понятие магнитного монополя как частицы — носительницы изолированного магнитного заряда и представить существование магнита с одним полюсом. В статье 1931 года (в которой формулировалась идея антиэлектрона) Дирак выдвинул и гипотезу магнитного монополя.

Он не первым озвучил подобную идею: гораздо раньше, в XIX веке, физики уже выдвигали гипотезу о существовании такой частицы, осознавая, что оно противоречит основополагающим уравнениям классического электромагнетизма. Уравнения Максвелла содержат заметную асимметрию между электрическим полем, связанным с плотностью электрического заряда и электрического тока, и магнитным полем, для которого подобные величины не определены. Кроме того, это согласуется с введением векторного потенциала для описания магнитного поля — метода, использованного для квантовой теории в работах Йордана, Гейзенберга и Паули. Это объясняет, почему магнитные заряды никогда не изучались в рамках квантовой теории до работ Дирака в 1931 году.

Изображение магнита с двумя полюсами и силовых магнитных линий, создающих магнитное поле.

Целью Дирака было не доказательство существования монополя, но нахождение объяснения «квантованию» электрического заряда и обоснование значения постоянной тонкой структуры.

Он писал: «Эта работа главным образом опирается на существование минимального электрического заряда». Дирак ввел плотность магнитного заряда и плотность магнитного тока по образцу соответствующих электрических величин и показал, что квантовая теория «не исключает существование изолированных магнитных полей».

Кроме того, он получил простое соотношение между значениями электрического и магнитного зарядов. Это соотношение включало постоянную Планка и делало очевидным тот факт, что существование магнитного монополя возможно при условии квантования электрического заряда. Несмотря на открытие подобного соотношения, Дирак счел результат «недостаточно оправдавшим надежды». Он искал квантовое условие, которое позволило бы ему прямо определить элементарный заряд. Ученый писал:

«Невозможно изменить теорию, поскольку в ней нет ни одного произвольного элемента. Объяснение значения элементарного электрического заряда требует совершенно новаторской идеи».

Дирак закончил свою статью вопросом о том, почему изолированные магнитные поля никогда не наблюдались. Выведенное им соотношение между электрическим и магнитным зарядами позволило ему определить минимальное значение магнитного заряда через заряд электрона. Он получил следующий результат:

M_min = 137e/2.