В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Корреспонденция Борна и Эйнштейна. С. 203.

Не слишком вовремя, по его собственному мнению (и, если честно, по мнению многих других). В «Корреспонденции Борна и Эйнштейна» он вспоминает (с. 229): «Тот факт, что я не получил Нобелевскую премию в 1932 году вместе с Гейзенбергом, сильно ранил меня, хотя Гейзенберг и прислал мне очень теплое письмо». Он объясняет задержку с признанием своей работы над статистическим толкованием волнового уравнения тем, что Эйнштейн, Шрёдингер, Планк и де Бройль выступали против этой идеи, а Нобелевский комитет не мог не обращать внимания на мнение таких светил. Кроме того, он замечает, что «копенгагенская школа сегодня подарила свое имя тому ходу мыслей, который запустил я сам», намекая на то, что Копенгагенская интерпретация вместила в себя статистические идеи. Это не просто ворчливые ремарки старика - у них есть прочное основание, ведь каждый в квантово-механическом мире обрадовался запоздалому признанию заслуг Борна. И больше всех был рад Гейзенберг, который впоследствии сказал Джагдишу Мехре: «Я испытал невероятное облегчение, когда Борн получил Нобелевскую премию» (Мехра Дж., РехенбергХ. Т. 4. С. 281).

волновые уравнения, не понимает этого и просто принимает на веру роль вероятностей. Студенты изучают то, что Тед Бастин назвал «кристаллизованной формой игры идей конца двадцатых. то, с чем способен работать при решении конкретных проблем средний физик, который никогда не задается вопросом о том, что он в действительности думает о

фундаментальных задачах» 36. Они учатся считать волны реальными, и лишь немногие заканчивают курс квантовой теории, не представляя наглядно картину строения атома. Люди используют вероятностную интерпретацию, при этом не вполне понимая ее суть, и это доказывает мощь уравнений, выведенных, в частности, Шрёдингером и Дираком, а также интерпретации Борна: даже не понимая, почему эти рецепты работают, люди способны весьма эффективно готовить на квантовой кухне.

Первым квантовым шеф-поваром стал Дирак. Как мы помним, он был первым человеком за пределами Геттингена, кто понял новую матричную механику и развил ее дальше. Точно так же он взял волновую механику Шрёдингера и, развивая ее, дал ей более основательный фундамент. Адаптируя уравнения к требованиям теории относительности и добавляя в качестве четвертого измерения время, в 1928 году Дирак столкнулся с необходимостью ввести новое понятие, которым теперь является спин электрона, и оно неожиданно дало объяснение расщеплению спектральных линий на дублеты, которое мучило теоретиков в течение десяти лет. Одновременно с этим появилось другое неожиданное следствие, открывшее путь для развития современной физики элементарных частиц.

Антиматерия

В соответствии с уравнениями Эйнштейна частица с массой т

и импульсом р обладает энергией, определяющейся следующим равенством:

Е2 = т2рл + р2с2,

которое сокращается до знаменитого Е = тс2,

когда импульс равен нулю. Но это еще далеко не все. Поскольку известное уравнение получается, когда берется квадратный корень от его полной формы, в математике необходимо сказать, что Е может быть либо положительной, либо отрицательной. Как известно, 2 х 2 = 4 и -2 х -2 = 4, поэтому, строго говоря, Е = ±mc

2. Когда в уравнения проникают такие «отрицательные корни», их, как правило, можно отбросить как не имеющие значения, ведь «очевидно», что нам нужен только положительный корень. Будучи гением, Дирак не предпринял этот очевидный шаг, а озадачился следствиями. Когда в релятивистской версии квантовой механики происходит расчет энергетических уровней, появляются два их набора: один положительный, соответствующий тс2, а другой - отрицательный, соответствующий - тс2. В соответствии с теорией электроны должны падать на самый низкий из свободных энергетических уровней, но при этом даже самый высокий отрицательный энергетический уровень расположен ниже, чем самый низкий положительный энергетический уровень. Так что такое отрицательные энергетические уровни? Почему все электроны во Вселенной не падают на них и не исчезают?

Ответ Дирака основывался на том, что электроны являются фермионами и только один электрон может занять одно возможное электрическое состояние (два на энергетический уровень, один с каждым значением спина). Должно быть, заключил он, электроны не падают на отрицательные энергетические уровни, поскольку все эти уровни уже заполнены. То, что мы называем «пустым пространством», на самом деле является морем электронов с отрицательной энергией! На этом он не остановился. Дайте электрону энергию, и он поскачет вверх по лестнице энергетических состояний. Поэтому, если дать достаточное количество энергии одному из электронов в отрицательном энергетическом море, он должен

Квантовая теория и не только. С. 1.