Поль Дирак. Интуиция, открывшая черную материю

Что  важно для понимания   интуиции Поля Дирака ?
Большинство ученых подгоняют математику под то, что они видят в телескопы. Дирак сделал наоборот: он сказал астрономам, что они должны увидеть, то  что «математика не может быть такой красивой и при этом ошибаться».


Если и существует человеческий аналог суперкомпьютера, то вполне возможно, что им был живой Пол Дирак.

Будучи 25-летним британским ученым, Дирак помог заложить основы квантовой механики, опровергнув фундаментальные принципы классической физики.

Действительно, его уравнение Дирака, открытое в 1927 году, описывает поведение электрона с почти идеальной точностью и принесло ему часть Нобелевской премии по физике 1933 года.

Он работал в Кембриджском университете, где занимал Лукасовскую кафедру математики — ту же самую кафедру, которую когда-то занимал Исаак Ньютон.

В Англии существовал обязательный пенсионный возраст, и Дирак должен был уйти на пенсию в 65 лет. Он не хотел уходить.

В 1970 году, уже находясь в поездке по США, Дирака убедили занять годичную должность приглашенного профессора в Университете штата Флорида (FSU).

Его поразили живописные пейзажи Северной Флориды, напомнившие ему Англию, а также доброжелательность преподавательского состава Университета штата Флорида.

В конце того года, во время рождественской вечеринки, Дирак и его жена упомянули, что ему там нравится, и поинтересовались, можно ли организовать что-то более постоянное, а не просто временное пребывание.

Первоначально финансирование предоставлялось только для временных назначений, но затем начались обсуждения о поиске долгосрочной роли в области физики.

Пол Дирак был живой легендой, и его присутствие ощущалось так, словно имя из исторических книг ожило. Как позже писал Ланье: «Дирак — это не человек; Дирак — это уравнение, теория антиматерии».

К администрации университета обратились с предложением заключить с ним постоянный контракт. Чтобы проиллюстрировать его статус, было проведено одно сравнение:

«Предположим, кто-то сказал вам, что Шекспир хотел бы учиться в университете — на этом, пожалуй, всё и закончится, если говорить о физике».

Вскоре после этого Университет штата Флорида сделал предложение, положив начало 14-летнему сотрудничеству, которое принесло пользу как Дираку, так и университету.

Фактически, в Университете штата Флорида он стал более активен, чем в последние годы своей жизни в Кембридже. Его жена позже говорила, что он, похоже, изменил свои привычки: в Кембридже он работал в основном дома и приходил только преподавать, а в Университете штата Флорида он снова начал брать студентов, регулярно читать лекции, проводить курсы и писать больше книг и статей. Он помолодел и прекрасно провел там время.

Дирак оставался в Университете штата Флорида до своей смерти в 1984 году. Похороненный в Таллахасси, он навсегда стал частью живописной сельской местности, которая стала для него вторым домом.

В знак признания его вклада в развитие университета штата Флорида в его честь названа научная библиотека, а также установлена статуя, финансируемая друзьями, коллегами и поклонниками, с которыми он познакомился во время учебы там.

В Лондоне его тоже помнят. В Вестминстерском аббатстве установлена мемориальная доска размером два фута на два фута, посвященная месту Дирака в британской истории.
Она находится рядом с надгробным камнем сэра Исаака Ньютона.

Интуиция Дирака глубоко уходила корнями в классическую механику. Он обладал сверхъестественной способностью находить глубокие связи между классическими скобками Пуассона и квантовыми коммутаторами. Он видел структуру классической физики «просвечивающей» сквозь квантовый мир.


Сам Поль Дирак редко использовал слово «интуиция», предпочитая говорить о «математическом чутье» или «чувстве красоты».

* О математическом поиске:«Математик играет в игру, правила которой он сам придумывает, а физик играет в игру с правилами, установленными Природой. Но со временем становится ясно, что правила, которые математик находит интересными, — это те же самые правила, которые выбрала Природа».

Интуиция Дирака не была «озарением из ниоткуда». Историки науки выделяют три её компонента:

1. Принцип математической экономии: Если природа может сделать что-то одним простым способом, она не будет использовать два сложных.
2. Доверие к символам: Дирак верил, что если символы в уравнении ведут к странному выводу (как антиматерия), значит, этот вывод реален. Большинство физиков того времени пытались «подправить» математику, чтобы она не выдавала странностей.
3. Эстетический фильтр: Он часто отбрасывал целые направления исследований только потому, что они выглядели «некрасиво» (именно так он до конца жизни критиковал квантовую электродинамику, считая её математически громоздкой).

Альберт Эйнштейн:
«Дирак доставляет мне невероятные трудности. Это балансирование на головокружительной грани между гениальностью и безумием».
(Эйнштейн был поражен тем, как Дирак доверял абстрактной логике больше, чем здравому смыслу).

Ричард Фейнман:
«У Дирака был свой способ находить истину. Он просто смотрел на математические формы и видел, какими они должны быть. Я всегда чувствовал себя рядом с ним простым смертным».

История открытия антиматерии — это, пожалуй, величайший триумф веры в математику над здравым смыслом. В 1928 году Дирак не искал новую частицу, он просто пытался «поженить» две главные теории того времени.
Вот как развивалась эта детективная история:

1. Проблема: Конфликт Эйнштейна и Шрёдингера
В то время существовало уравнение Шрёдингера, которое описывало электрон, но оно не учитывало теорию относительности Эйнштейна (т.е. работало только для медленных частиц). Когда физики пытались объединить их, у них получались уравнения, которые давали отрицательные вероятности, что физически бессмысленно.

2. Решение Дирака: Математический трюк
Дирак решил применить другой подход. Он искал уравнение, которое было бы «линейным» (простым по структуре), но при этом удовлетворяло всем требованиям симметрии.
Он вывел своё знаменитое уравнение:

Оно было невероятно красивым и коротким. Но возникла «проблема», которая испугала бы любого другого физика.

3. Тупик: Отрицательная энергия
Уравнение Дирака имело два решения, точно так же, как уравнение

* Первый корень описывал обычный электрон.
* Второй корень описывал частицу с отрицательной энергией.
В классической физике это невозможно. Это как если бы вы бросили камень, а он летел бы «в обратную сторону» реальности. Коллеги Дирака (например, Гейзенберг и Паули) смеялись над этим, называя это «мусорным решением».

4. Интуитивный прыжок: «Дырочная теория»
Вместо того чтобы признать уравнение ошибкой, Дирак доверился его красоте. Он рассуждал так:
1. Представим, что весь мир заполнен «морем» электронов с отрицательной энергией (это назвали Морем Дирака). Мы их не видим, потому что они повсюду.
2. Если мы «выбьем» один такой электрон из этого моря, на его месте останется пустое место («дырка»).
3. Отсутствие отрицательного заряда в физике ведет себя как положительный заряд.
Дирак предположил: эта «дырка» — новая частица, близнец электрона, но с положительным зарядом.
Сначала он робко надеялся, что это протон, но математика была неумолима: масса «дырки» должна быть в точности равна массе электрона. Так Дирак предсказал позитрон.

Итог: Триумф
Через три года, в 1932 году, физик Карл Андерсон случайно обнаружил в космических лучах частицу, которая вела себя в точности так, как предсказал Дирак.
Это был шок для научного мира: человек, просто переставляя математические символы на бумаге и следуя интуиции, открыл целую половину Вселенной, о которой никто не подозревал.

Гурманская сторона Поля Дирака была такой же лаконичной, как и его уравнения.
Несмотря на свою аскетичность, он обожал сладкое, и шоколад занимал в его жизни особое место.
1. Французский шоколад: Во время поездок в Европу он всегда выделял время, чтобы купить элитный  шоколад. Для человека, который почти не тратил деньги на комфорт, это было редким проявлением страсти.
2. Шоколад как топливо: Коллеги вспоминали, что Дирак мог долго молчать на званом ужине, но его глаза загорались, когда подавали десерт. Он считал, что шоколад  помогает мозгу сохранять ту самую предельную концентрацию.
3. Виноград и сладости: Кроме шоколада, он очень любил виноград. Известна история, как на банкете в честь Нобелевской премии он, практически, проигнорировал основные блюда, сосредоточившись на фруктах и шоколаде.
Его отношение к еде отлично описывает фраза его жены, Маргит: «Поль ест, чтобы жить, а не живет, чтобы есть... но перед хорошим шоколадом он беззащитен».