Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Октября 2017 в 20:46, реферат
Наука прошла большой и сложный путь развития — от египетских и
вавилонских памятников до атомных электростанций, лазеров и космических полетов. Человечество прошло и проходит длительный и трудный
путь от незнания к знанию, непрерывно заменяя на этом пути неполное и
несовершенное знание все более полным и совершенным.
своей страны, Гейзенберг, которому удалось проникнуть в тайны природы, не сумел разглядеть и понять глубину трагедии, в которую была ввергнута Германия.
В 1946 году Гейзенберг вернулся в Германию. Он становится директо-;
ром Физического института и профессором Геттингенского университета. |
С 1958 года ученый являлся директором Физического университета и астрофизики, а также профессором Мюнхенского университета.
В последние годы усилия Гейзенберга были направлены на создание
единой теории поля. В 1958 году он проквантовал нелинейное спинорное
уравнение Иваненко (уравнение Иваненко — Гейзенберга). Немало его
работ посвящено философским проблемам физики, в частности теории
познания, где он стоял на позиции идеализма.
Гейзенберг умер в своем доме в Мюнхене 1 февраля 1976 года от рака
почки и желчного пузыря.
ПОЛЬ ДИРАК
(1902—1984)
Английский физик Поль Адриен Морис Дирак родился 8 августа
1902 года в Бристоле,
в семье уроженца Швеции
Сначала Поль учился в коммерческом училище в Бристоле. Затем с
1918 по 1921 год он изучал электротехнику в Бристольском университете
и окончил его со степенью бакалавра наук. После этого Поль прошел еще
и двухлетний курс прикладной математики в том же университете. «Во
время этого математического образования больше всего повлиял на меня
Фрезер ...он был прекрасным учителем, способным внушить своим студентам чувство действительного восхищения фундаментальными идеями
математики, — вспоминал Дирак. — ...У Фрезера я научился двум вещам.
Во-первых, строгой математике. До того я использовал только нестрогую
математику, которая удовлетворяла инженеров... Они не заботились о точном определении предела, о том, как долго суммировать ряды, и о других
подобных вещах. Фрезер учил, что для обращения с этими предметами
иногда необходимы строгие логические идеи». И дальше: «Вторая вещь,
которой я научился у Фрезера, была проективная геометрия. Она оказала
на меня глубокое влияние благодаря присущей ей математической красоте... Проективная геометрия всегда работает с плоским пространством...,
она обеспечивает вас методами, такими как метод взаимнооднозначных
соответствий, которые, как по волшебству, получают результаты; теоремы
евклидовой геометрии, над которыми вы долго мучились, выводятся наи
544
простейшими способами, если использовать рассуждения проективной геометрии».
Дирак продолжал интересоваться проективной геометрией и после того,
как в конце 1923 года стал аспирантом Кембриджского университета, специализирующимся в теоретической физике под руководством Ральфа Говарда Фаулера. В частности, он регулярно посещал чаепития в доме профессора Бейкера, происходившие по субботним вечерам. После каждого
из таких чаепитий кто-то делал сообщение о геометрической задаче. Сам
Дирак тоже «работал с проективной геометрией... и сделал одно из сообщений на таком чаепитии. Это была первая лекция в моей жизни, и,
конечно, я ее хорошо запомнил. В ней шла речь о новом методе решения
проективных задач».
Затем Дирак поступил в аспирантуру по математике колледжа св. Иоанна
в Кембридже и в 1926 году защитил докторскую диссертацию. В следующем году Дирак стал членом научного совета того же колледжа.
Еще в университете Дирак заинтересовался теорией относительности Альберта Эйнштейна. В годы, когда Дирак проходил аспирантуру в
Кембридже, Гейзенберг и Шрёдингер разработали свои формулировки
квантовой механики, применив квантовую теорию к описанию поведения атомных и субатомных систем и движения таких частиц, как электрон.
Дирак начал изучать уравнения Гейзенберга и Шрёдингера, как только те были опубликованы в 1925 году, высказав при этом несколько полезных замечаний. Одним из недостатков квантовой механики было то,
что она была разработана лишь применительно к частицам, обладающим
малой скоростью (по сравнению со скоростью света), а это позволяло пренебречь эффектами, рассматриваемыми теорией относительности Эйнштейна. Эффекты теории относительности, такие как увеличение массы
частицы с возрастанием скорости, становятся существенными, только когда скорости начинают приближаться к скорости света.
На Сольвеевском конгрессе в октябре 1927 года к Дираку подошел
Бор. Вот как вспоминает об этом сам Дирак: «Бор подошел ко мне и
спросил: «Над чем сейчас работаете?» Я ответил: «Пытаюсь получить релятивистскую теорию электрона». Бор тогда сказал: «Но ведь Клейн уже
решил эту проблему». Я был несколько обескуражен. Я стал объяснять
ему, что решение задачи Клейна, основанное на уравнении Клейна—Гордона, неудовлетворительно, так как его нельзя согласовать с моей общей
физической интерпретацией квантовой механики. Однако я так и не смог
объяснить что-либо Бору, так как наш разговор был прерван началом лекции и вопрос повис в воздухе».
Дирак был недоволен. Он стремился получить уравнения для одного
электрона, а не для системы частиц с разными зарядами. Он добился
своего, но решение его удивило. Двумерных частиц Паули, хорошо опи
ПОЛЬ ДИРАК 545
сывающих спин в нерелятивистском случае, явно не хватало. Электрон в
теории имел лишнюю степень свободы — свободы, как оказалось, перехода в состояние с отрицательной энергией Это выглядело настолько дико,
что впору было отказаться от всего сделанного.
В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил,
что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон. Наблюдаемы
только электроны с положительной энергией «Электроны, — пишет Дирак, — распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для
того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».
Теория Дирака была встречена скептически Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам,
«была очень симметрична по отношению к электронам и протонам».
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и
массой. Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу
предсказывала существование позитрона и других античастиц.
На Ленинградской конференции 1933 года Дирак следующим образом
излагал сущность теории позитрона. «Допустим, что в том мире, который
мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией
заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только
лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным,
каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов
с положительными энергиями. Незанятые состояния с отрицательной
энергией, т. е. «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией будет восприниматься нами как частица с положительной энергией;
ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус
дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении
электронов с отрицательной энергией».
«Согласно теории Дирака, — писал Ф Жолио, — положительный
электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в
противоположных направлениях».
546
Существует и обратный процесс — «материализация» фотонов, когда
«фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми
ядрами могут создавать положительные электроны... Фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».
Выведенное английским ученым и опубликованное в 1928 году уравнение называется теперь уравнением Дирака. Оно позволило достичь соү
гласия с экспериментальными данными. В частности, спин, бывший ра|
нее гипотезой, подтверждался уравнением Дирака. Это было триумфом
его теории. Кроме того, уравнение Дирака позволило предсказать магнит|
ные свойства электрона (магнитный момент), j
Дираку же принадлежит теоретическое предсказание возможности рож|
дения электрон-антиэлектронной пары из фотона достаточно большой энер|
гии. Предсказанный Дираком антиэлектрон был открыт в 1932 году Карлом
Д. Андерсеном и был назван позитроном. Позднее подтвердилось и пред|
положение Дирака о возможности рождения пары. Впоследствии Дирая
выдвинул гипотезу о том, что и другие частицы, такие как протон, такж|
должны иметь свои аналоги из антиматерии, но для описания таких паи
частиц и античастиц потребовалась бы более сложная теория. Существо]
вание антипротона было подтверждено экспериментально в 1955 годі
Оуэном Чемберленом. В настоящее время известны и многие другие аж
тичастицы. |
Уравнение Дирака позволило внести ясность в проблему рассеяний
рентгеновского излучения веществом. Рентгеновское излучение сначал!
ведет себя как волна, затем взаимодействует с электроном как частиі.
(фотон) и после
столкновения вновь подобна
подробно количественное описание такого взаимодействия.
Позднее Дирак открыл статистическое распределение энергии в сис|
теме электронов, известное теперь под названием статистики Ферми-1
Дирака. Эта работ имела большое значение для теоретического осмысления электрических свойств металлов и полупроводников.
Дирак предсказал также существование магнитных монополей — изолированных положительных или отрицательных магнитных частиц, подобных положительно или отрицательно заряженным электрическим частицам. Попытки экспериментально обнаружить магнитные монополя до
сих пор не увенчались успехом. Все известные магниты имеют два полюса — северный и южный, которые неотделимы друг от друга. Дирак высказал предположение и о том, что природные физические константы,
например гравитационная постоянная, могут оказаться не постоянными в
точном смысле слов, а медленно изменяться со временем. Ослабление
гравитации, если оно вообще существует, происходит настолько медленно, что обнаружить его чрезвычайно трудно, и поэтому оно остается гипотетическим.
ПОЛЬ ДИРАК
547
Дирак и Шрёдингер получили Нобелевскую премию по физике 1933 года «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». В своей лекции
Дирак указал на вытекающую из симметрии между положительными и отрицательными электрическими зарядами возможность существования «звезд
состоящих главным образом из позитронов и антипротонов. Возможно,
одна половина звезд принадлежит к одному типу, а другая — к другому
Эти два типа звезд должны были бы обладать одинаковыми спектрами, и
различить их методами современной астрономии было бы невозможно»
В 1937 году Дирак женился на Маргит Вигнер, сестре физика Эугена
П. Вигнера. У них было две дочери
Обычно принято считать Дирака молчаливым и не очень общительным человеком. Так оно и было. Он предпочитал работать в одиночку, и
непосредственных учеников у него было мало Но наряду с этим в нем
уживалась способность к искренней и глубокой дружбе. Двух своих чуть
ли не самых близких друзей нашел Дирак в Советском Союзе. Это были
Петр Капица и Игорь Тамм.
Любопытны воспоминания дочери Тамма Ирины о Дираке: «Два года
подряд у нас останавливался приезжавший в Москву П.A.M. Дирак, с
которым папа познакомился и подружился в 28-м году у Эренфеста в
Лейдене. Помню, как в свой второй приезд вечером входит сияющий Дирак
и, подняв палец, торжественно заявляет: «Тамм, у вас грандиозные перемены». В ответ на всеобщее недоумение он пояснил. «Теперь в туалете
горит лампочка»
Осенью 1934 года Капице не было разрешено вернуться в Англию, в
лабораторию, которой он заведовал, и он вынужден был остаться в СССР
поначалу без возможности для научной работы Дирак хотел приехать в
Советский Союз для того, чтобы попытаться помочь Капице.
Эта проблема подробно обсуждалась в переписке между ним и женой Капицы — Анной Алексеевной, которая была тогда в Кембридже
Дирак в тот год читал лекции в США. Чтобы вызволить Капицу, он даже
собирал подписи под коллективным письмом американских физиков правительству СССР, вместе с Р Милликеном нанес визит в советское посольство.
Друзья и знакомые Поля Дирака часто бывали поражены его неожиданной и иногда «странной» реакцией на темы, возникающие в разговоре
Правда, затем становилось очевидным, что его замечания были естественным и логическим ответом и что только чисто автоматические и бездумные ассоциации всех остальных и заставляли ждать от него чего-нибудь
другого. Это же свойство проявлялось в его физике Сходство настолько