Альберт Эйнштейн во время конференции в Вене, 1921 год.
МЕХАНИКА ПРОТИВ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА
Чтобы понять научные труды и открытия Дирака, надо хорошо понимать контекст физики во времена, когда он был студентом: в ней происходила настоящая революция вместе с расцветом новых теорий, радикально менявших преобладавшее до этих пор видение природы.
Галилей и Ньютон сформулировали законы, позволявшие объяснить движение тел. Одним из главных понятий этих теорий была «система отсчета», в рамках которой рассматривалось движение одного или нескольких тел. До XVI века считалось, что Земля как особая система отсчета находится в состоянии абсолютного покоя. Галилей (1564-1642) первым заявил, что никакой особой системы отсчета не существует. Кстати, одним из основных принципов физики был «принцип относительности» Галилея — Ньютона, согласно которому все законы физики (механики) одинаковы для всех инерциальных систем — систем отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Преобразования, позволяющие описать положения тел в разных инерциальных системах, называются «преобразованиями Галилея». Время во всех таких системах отсчета являлось абсолютным, то есть одинаковым для всех наблюдателей.
К середине XIX века британский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) разработал свою теорию электромагнетизма. Ее основу составляли четыре уравнения, называемых «уравнениями Максвелла». В них учитывалась скорость света. Следовательно, возникал вопрос: в какой системе отсчета рассматривать скорость света? Согласно принципу относительности Галилея — Ньютона скорость зависит от выбранной системы отсчета. Однако изменение скорости света, в свою очередь, меняет уравнения Максвелла. Другими словами, законы электромагнетизма меняются, когда сталкиваются с преобразованиями Галилея. И это очевидным образом свидетельствует о том, что законы электромагнетизма и механики противоречат друг другу.
К XX веку все физики были убеждены: свет, как и любое другое волновое явление, для распространения нуждается в материальной среде, которая была названа «эфиром». Предполагалось, что он заполняет собой все пространство. Таким образом, эфир составлял особую систему отсчета (абсолютную), что противоречило принципу относительности Галилея. Главной задачей стало измерить скорость света по отношению к эфиру, именно это являлось целью опыта, осуществленного Альбертом А. Майкельсоном (1852-1931) и Эдвардом Морли (1838-1923) в 1887 году. Их опыт показал, что измеряемая скорость света всегда одинаковая, каким бы ни было ее направление в пространстве. Объяснения данного факта давались очень разные, и все они были связаны с возможными изменениями уравнений электромагнетизма. На самом деле большинство ученых оставались убеждены в релевантности уравнений Ньютона и преобразований Галилея — до тех пор, пока специальная теория относительности полностью не перевернула подход к проблеме и ее решению.
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Альберт Эйнштейн (1879-1955) полагал, что противоречия между электромагнетизмом и механикой вытекают из законов Ньютона. Он отказался от идеи эфира и возможного существования абсолютной системы отсчета. Эйнштейн разработал теорию относительности, исходя из двух основополагающих постулатов.
1. Принцип относительности. Все законы физики одинаковы для всех инерциальных систем отсчета.
2. Принцип постоянности скорости света. Скорость света в вакууме всегда одинакова, независимо от рассматриваемой инерциальной системы отсчета.
Первый постулат представляет собой обобщенный принцип Галилея — Ньютона и демонстрирует невозможность различать инерциальные системы. Второй постулат гораздо более странный, он очевидным образом противоречит преобразованиям Галилея, согласно которым скорость предмета зависит от системы отсчета, в которой эта скорость измеряется. Как это возможно, чтобы наблюдатели, двигающиеся по отношению друг к другу, видели одно и то же световое мерцание, перемещающееся с одинаковой по отношению ко всем скоростью? Поиски ответа на данный вопрос вели к совершенно новому восприятию таких основополагающих понятий, как пространство и время.
Рассмотрим понятие одновременности в свете специальной теории относительности. В механике Ньютона время абсолютно и, следовательно, одинаково для всех наблюдателей. В схеме Эйнштейна, напротив, одновременные события в одной системе отсчета обычно не одновременны в другой системе отсчета; другими словами, одновременность событий зависит от системы отсчета. Это означает, что время протекает (и измеряется) по-разному в зависимости от системы.
Из постулатов Эйнштейна следует, что измеряемое время может замедляться в движущихся инерциальных системах; иначе говоря, оно течет быстрее, когда мы измеряем его в той же системе отсчета, в которой и находимся (в «собственной» системе). Наконец, и длина предмета зависит от системы, в которой он измеряется, поскольку определить длину означает определить одновременно края этого предмета. Эйнштейн осуществил множество «мысленных экспериментов», чтобы данный аспект стал очевидным. И если релятивистские эффекты — сокращение длины и замедление времени — незаметны в повседневном мире, для которого механика Ньютона является достаточно точной, то они играют ключевую роль в объяснении субатомных процессов.
Еще один важный принцип, следовавший из теории относительности и оказавший серьезное влияние на квантовую теорию, — принцип эквивалентности массы и энергии. В релятивистской теории масса тела зависит от системы отсчета, она увеличивается вместе со скоростью и тяготеет к бесконечности, когда скорость тела приближается к скорости света. Соотношение между массой и общей энергией тела выражается знаменитым уравнением Эйнштейна: Е = mc2. Оно описывает эквивалентность массы и энергии и означает, что излучение или взаимодействие, то есть энергия, могут переходить в массу (в частицы), и наоборот, что частицы (масса) могут разрушаться, производя энергию. Это уравнение сыграло огромную роль
Дирак в учебной аудитории.
Поль Дирак (четвертый слева) с коллегами во время VII Сольвеевского конгресса, который был организован в 1933 году и посвящен структуре и свойствам атомного ядра. в открытии взаимодействия излучения с веществом в рамках квантовой теории. Дирак стал первым ученым, сумевшим логично соединить релятивистскую теорию с квантовой моделью. Постулирование неинерциальных систем отсчетов привело Эйнштейна к разработке общей теории относительности, он опубликовал ее в 1916 году.
РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КВАНТОВОМ МИРЕ
