В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

именно он разработал самую полную форму науки, которая теперь называется квантовой механикой. И все же он обратился к теоретической физике только после того, как в 1921 году окончил Бристольский университет, получив диплом инженера. Дирак не смог сразу найти работу по специальности, и ему предложили поступить в Кембридж, чтобы изучать математику, но от этого предложения он вынужден был отказаться из-за нехватки денег. Оставшись с родителями в Бристоле, он - благодаря инженерному образованию - освоил трехлетний математический курс всего за два года и в 1923 году стал бакалавром прикладной математики. Теперь он наконец-то мог отправиться в Кембридж и заняться исследованиями, получив грант от Отдела научных и промышленных исследований, - и только прибыв в Кембридж, он впервые услышал о квантовой теории.

Итак, в июле 1925 года, когда Дирак попал на лекцию Гейзенберга в Кембридже, он был никому не известным и неопытным аспирантом. Хотя Гейзенберг тогда не рассказал аудитории о своей работе, он упомянул о ней в разговоре с научным руководителем Дирака Ральфом Фаулером и в итоге в середине августа послал ему копию статьи, до того как она вышла на страницах Zeitschrift fur Physik

. Фаулер передал статью Дираку, который первым ознакомился с ней за пределами Геттингена (не считая друга Гейзенберга Паули), получив шанс изучить новую теорию. В этой первой статье Гейзенберг хотя и указал на некоммутативность переменных в квантовой механике, то есть матриц, не развил свою идею, ходя вокруг да около. Разобравшись с уравнениями, Дирак быстро оценил фундаментальное значение простого факта, что a х b Ф b

х a . В отличие от Гейзенберга, Дирак уже знал математические величины, которые вели себя таким образом, и за несколько недель смог переработать уравнения Гейзенберга с позиции той ветви математики, которую за век до этого развил Уильям Гамильтон. По величайшей иронии научной судьбы уравнения Гамильтона, нашедшие свое применение в квантовой теории, отказавшейся от концепции орбит электронов, в XIX веке были выведены в значительной степени для того, чтобы использоваться при расчете орбит тел в системе - например, в Солнечной системе, где находится несколько взаимодействующих друг с другом планет.

Итак, отдельно от геттингенской группы Дирак открыл, что уравнения квантовой механики имеют ту же математическую структуру, что и уравнения классической механики, и что классическая механика является частным случаем квантовой и соответствует большим квантовым числам или постоянной Планка, равной нулю. Следуя в собственном направлении, Дирак нашел другой путь математического выражения динамики с использованием особой формы алгебры, которую он назвал квантовой алгеброй, предполагающей сложение и перемножение квантовых переменных, или «чисел q». Эти числа q представляют собой странные величины - не в последнюю очередь потому, что в математическом мире, построенном Дираком, невозможно сказать, какое из двух чисел а и b больше: идея о том, что одно из чисел должно быть больше или меньше другого, просто не находит себе места в этой алгебре. И все же законы этой математической системы в точности соответствовали наблюдениям за атомными процессами. И снова верным будет сказать, что квантовая алгебра включает в себя матричную механику, но отвечает помимо нее за многое другое.

Фаулер сразу же понял значение работы Дирака, и в декабре 1925 года по его настоянию ее опубликовали в сборнике Proceedings

of the Royal

Society. Помимо прочего, в нее в качестве неотъемлемого компонента новой теории вошли полуцелые значения квантовых чисел, которые несколькими годами ранее не давали покоя Гейзенбергу. Дирак отправил копию работы Гейзенбергу, и тот не скупился на похвалы: «Я с огромным интересом прочитал вашу невероятно прекрасную статью по квантовой механике. Нет никаких сомнений в том, что ваши результаты верны... [Эта статья], несомненно, написана

лучше и является более полной, чем наши изыскания» 30. В первой половине 1926 года

Цит. по: Мехра Дж, Рехенберг X. Т. 4. С. 159.

Дирак развил свою теорию в четырех исчерпывающих статьях, и все вместе они стали основой его докторской работы, за которую он и получил заслуженную степень. В то же время Паули использовал матричные методы, чтобы точно предсказать серию Бальмера для атома водорода, и к концу 1925 года стало очевидно, что разделение некоторых спектральных линий на дублеты получало лучшее объяснение при добавлении электрону нового свойства, называемого спином. Кусочки мозаики встали на свои места: различные математические средства, использованные разными толкователями матричной механики,

явно представляли собой всего лишь различные аспекты одной и той же реальности31.