Вселенная из ничего

Квантовая механика была разработана в период с 1912 по 1927 год, в первую очередь благодаря работам гениального и знаменитого датского физика Нильса Бора, блестящего, молодого, энергичного австрийского физика Эрвина Шредингера и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Квантовый мир, впервые предложенный Бором и математически уточненный Шредингером и Гейзенбергом, бросает вызов всем здравомыслящим представлениям, основанным на нашем знании объектов в человеческих масштабах. Бор первым предположил, что электроны в атомах вращаются вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, но показал, что наблюдаемые правила атомных спектров (частот света, испускаемого различными элементами) можно понять, только если электроны каким-то образом ограничены наличием стабильных орбит с фиксированным рядом «квантовых уровней» и не могут свободно постепенно приближаться к ядру. Они могут двигаться между уровнями, поглощая или испуская только дискретные частоты, или кванты, света — те самые кванты, которые в 1905 году Макс Планк впервые предложил для понимания формы излучения горячих предметов.

Однако «правила квантования» Бора были довольно узкоспециализированы. В 1920-х Шредингер и Гейзенберг независимо показали, что эти правила можно было получить из основных принципов, если электроны подчинялись правилам динамики, которые отличались от тех, что применяются для макроскопических объектов, таких как бейсбольные мячи. Электроны могут вести себя и как волны, и как частицы, как бы распространяясь в пространстве (отсюда «волновая функция» Шредингера для электронов), и было показано, что измерения свойств электронов дают лишь вероятностные результаты, с различными комбинациями разных свойств, которые не могут быть точно измерены в одно и то же время (отсюда «принцип неопределенности» Гейзенберга).

Дирак показал, что математика, предлагаемая Гейзенбергом для описания квантовых систем (за которую Гейзенберг получил в 1932 году Нобелевскую премию), может быть получена по точной аналогии с известными законами, управляющими динамикой классических макроскопических объектов. Кроме того, позже ему также удалось продемонстрировать, что математическую «волновую механику» Шредингера также можно получить похожим образом, и она была формально эквивалентна формулировке Гейзенберга. Но Дирак также знал, что замечательная квантовая механика Бора, Гейзенберга и Шредингера применима только к системам, где были уместны законы Ньютона (а не теория относительности Эйнштейна), законы, управляющие классическими системами, по аналогии с которыми были построены квантовые системы.

Дирак любил мыслить на языке математики, а не картинных образов, и когда он сосредоточился на попытках заставить квантовую механику согласоваться с законами относительности Эйнштейна, он начал работать с различными уравнениями. К ним относятся сложные многокомпонентные математические системы, которые были необходимы, чтобы учесть тот факт, что электроны имеют «спин», иначе говоря, что они вращаются, как маленькие волчки, и имеют угловой момент, и что они также могут вращаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки вокруг любой из осей.

В 1929 году он добился успеха. Уравнение Шредингера было красивым и точно описывало поведение электронов, движущихся со скоростью гораздо более медленной, чем свет. Дирак обнаружил, что если он превращал уравнение Шредингера в более сложное уравнение с помощью объектов, называемых матрицами — что на самом деле означало, что его уравнение в действительности описывало набор из четырех различных взаимосвязанных уравнений — он мог непротиворечиво объединить квантовую механику с относительностью, и, таким образом, в принципе, описать поведение системы, где электроны двигались на гораздо более высоких скоростях.

Однако была одна проблема. Дирак записал уравнение, предназначенное для описания поведения электронов, когда они взаимодействовали с электрическими и магнитными полями. Но для его уравнения, похоже, требовались также новые частицы, почти такие же, как электроны, но с противоположным электрическим зарядом.

В то время в природе была известна только одна элементарная частица с зарядом, противоположным электрону — протон. Но протоны не совсем похожи на электроны. Начнем с того, что они в 2000 раз тяжелее!

Дирак пришел в замешательство. В отчаянии он утверждал, что новые частицы были фактически протонами, но что каким-то образом при перемещении в пространстве взаимодействие протонов заставляло их действовать так, как будто они были тяжелее. Другим ученым, в том числе Гейзенбергу, не потребовалось много времени, чтобы показать, что это предположение не имело смысла.