Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [187]

Гаудсмит и дальше, не без голландской (само)иронии, поддерживает впечатление легкости. Однако не надо забывать, что они предлагали нечто, явным образом противоречившее установленной картине мира. Упоминаемый ниже Лоренц – авторитет из авторитетов за свое глубокое и всестороннее понимание (и вклад в создание) этой картины мира.

Вот и все – получился спин. Так его и открыли, таким вот образом. ‹…› В строгую физику, стоявшую за всем этим, я глубоко не погружался. Но Уленбек, который был хорошим физиком, начал раздумывать об этом… «Заряд, который вращается?»… Он говорит, что отправился тогда к Лоренцу, а тот сказал: «Да, тут большие сложности, потому что собственная энергия электрона получается тогда неправильной». ‹…›

Мы как раз написали короткую статью на немецком и отдали ее Эренфесту, который хотел послать ее в Naturwissenschaften. Тогда, как сейчас рассказывают, Уленбек испугался, пошел к Эренфесту и сказал: «Не отправляйте статью, потому что, весьма вероятно, она неправильная. Всего этого не может быть, электрон не может вращаться с такой высокой скоростью и иметь правильный момент».

Конечно, электрон не вращается

Как же все просто, когда ответ известен; конечно, электрон и не вращается. Но что следовало думать первооткрывателям?

А Эренфест ответил: «Поздно, я ее уже отправил». ‹…› Я помню, как Эренфест сказал мне: «Знаете, это отличная идея, хотя может оказаться и неправильной. Но у вас еще нет репутации, поэтому вам терять нечего». ‹…›

Наша заметка была отослана и опубликована. Прямо на следующий день я получил письмо от Гайзенберга, где он пишет про нашу mutige Note (смелую заметку). Я и не знал, что требовалась смелость, чтобы такое опубликовать. Никаким храбрецом я не был. Я думаю, письмо Гайзенберга у меня сохранилось. Он там пишет формулу… Я в ней не понял ну совсем ничего. А потом он где-то спрашивает: «А что вы сделали с множителем 2?» Каким еще множителем?

Ситуация с множителем 2 утряслась через некоторое время уже с участием других людей и привлечением дополнительных идей из специальной теории относительности. В самом начале 1926 г. появилось уравнение Шрёдингера, а весной Паули придумал спиноры для трехмерного пространства. Как мы теперь хорошо знаем, такой спинор – это пара чисел; правила игры таковы, что одно число выражает потенциальную возможность для электрона иметь компоненту спина 1/2 ħ, а другое – компоненту –1/2 ħ.

В начале 1928 г., когда уравнение Шрёдингера уже работало вовсю и его даже уже «скрестили» со спинорами, Дирак всерьез озадачился проблемой, которой за два года до того не стал заниматься Шрёдингер: его, Шрёдингера, уравнение ничего не знало про скорость света и принцип относительности. Как все-таки можно систематически соединить идеи квантового описания мира с требованиями специальной теории относительности? Получилось так, что Дирак решил эту задачу для частиц со спином 1/2, т. е. для электронов. Исходно он и не подозревал о математических тонкостях с одним и двумя полными поворотами, но, как бы то ни было, ему пришлось изобрести спиноры для четырехмерного пространства-времени. Это, как он открыл для себя и для всей физики XX в., четверки чисел, которые, однако, совсем не похожи своим поведением при поворотах в пространстве-времени на «обычные» четверки чисел, связанные с пространством-временем, т. е. векторы. (Внутри математики, как затем оказалось, все идеологическое обеспечение было уже лет пятнадцать как готово, не было только знания, что появившиеся там довольно абстрактные и сами по себе не слишком заметные спиноры – часть реального мира.) Уравнение Дирака, которое его создатель записал как уравнение для электрона, «не хотело» описывать одни только электроны: в комплекте с ними оно буквально навязывало еще какую-то другую частицу с тем же спином 1/2 – «навязывало» в точности из-за того, что спиноры в четырехмерном пространстве-времени имеют четыре компоненты, из которых только две требовались для описания электрона, а две другие, определенным образом с ними связанные, должны были описывать что-то еще. После нескольких неудачных попыток объяснения, что это такое, пришлось постулировать существование в природе новой, доселе неизвестной частицы, к тому же являющейся античастицей к электрону – в смысле, который тогда и начал постепенно выясняться. Эта частица, названная позитроном, была обнаружена экспериментально несколько лет спустя[230].

Уравнение Дирака не только знало о спинорах и позитронах (и полностью разрешило ситуацию с «лишним множителем 2»), но и позволило уточнить сдвиг уровней энергии в атоме водорода из-за тонких эффектов, связанных со спином. И тем не менее оно приводило к странным выводам о поведении электрона на очень малых расстояниях порядка ħ/(mc). Мы уже встречались с этими расстояниями на нашей прогулке, но тогда забежали вперед – спрямив все сложности исторического развития, перепрыгнули к современному пониманию квантового мира в терминах квантовых полей. Отмеченные странности, собственно, и подтолкнули развитие полевого описания. Уравнение Дирака, обобщавшее уравнение Шрёдингера с учетом специальной теории относительности, оказалось только частью более фундаментальной истории про квантовые поля.