Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона ниспровергнуты




 

Посередине второй колонки красовался подзаголовок Пространство «покоробилось» . Внезапно все стали говорить о теории относительности.

Напомним, что, согласно одному из предсказаний общей теории относительности, гравитация искривляет траекторию распространения света, причем на величину, вдвое превышающую ту, что предсказывается ньютоновскими законами. Фрэнк Дайсон и сэр Артур Стенли Эддингтон предприняли экспедицию на остров Принсипе у побережья Западной Африки, где предстояло наблюдать солнечное затмение.

Одновременно Эндрю Кроммлин из Гринвичской обсерватории возглавил вторую экспедицию в Собрал в Бразилии[74]. Оба отряда наблюдали звезды вблизи края солнечного диска во время полного солнечного затмения и обнаружили легкие сдвиги в кажущихся положениях звезд, согласующиеся с предсказанием Эйнштейна, но не с предсказанием ньютоновской механики.

 

Эйнштейн, проснувшийся знаменитым, послал своей матери открытку такого содержания: «Дорогая мама, сегодня радостная новость. X.А. Лоренц телеграфировал, что английские экспедиции действительно доказали отклонение света Солнцем». Дирак заглотил наживку: «Меня захватило всеобщее возбуждение, вызванное теорией относительности. Мы постоянно об этом говорили. Студенты обсуждали ее между собой, однако имелось слишком мало точной информации для того, чтобы двигаться дальше». Общественное знание о теории относительности по большей части сводилось к словам; философы утверждали, что они уже многие годы знали, что «все на свете относительно», и выказывали пренебрежение к новой физике, как к старой шляпе. К сожалению, они лишь выставляли напоказ свое невежество и легковерность, с которой они переняли некорректную терминологию.

Поль сходил на несколько лекций по теории относительности, прочитанных Чарли Броудом, который в то время был профессором философии в Бристоле, но математическое содержание этих лекций его не удовлетворило. В конце концов он купил экземпляр эддингтоновской книги «Пространство, время и тяготение» и самостоятельно освоил необходимые разделы математики и физики. Еще до своего отъезда из Бристоля он досконально изучил и специальную, и общую теории относительности.

 

Полю хорошо давалась теория, зато лабораторные работы были для него кошмаром. Позднее физики стали говорить об «эффекте Дирака»: стоило только ему войти в лабораторию, как все эксперименты там начинали выходить из-под контроля. Мир инженерных наук для него означал бы катастрофу. Он получил блестящий диплом, но некоторое время оставался безработным, поскольку это было время послевоенной экономической депрессии. По счастью, ему представилась возможность изучать математику в Бристольском университете, причем за обучение уже было заплачено, и он ухватился за этот шанс. Его специализацией стала прикладная математика.



В 1923 году Поль стал аспирантом в Кембриджском университете, где столкнулся с серьезными проблемами из-за своей застенчивости. Он не интересовался никакими видами спорта, неохотно заводил друзей и всячески избегал женщин. Время он проводил главным образом в библиотеке. Еще в 1920 году он проработал все лето на той же фабрике, что и его брат Реджинальд. Два брата периодически встречались на улице, но часто проходили друг мимо друга, не останавливаясь, чтобы перекинуться парой слов, — настолько укоренилась семейная привычка к молчанию.

Поль быстро стал заметной фигурой; за шесть месяцев исследований он написал свою первую научную работу. Бурным потоком за ней последовали другие. Именно тогда, в 1925 году, он и столкнулся с квантовой механикой. Во время одной из долгих осенних прогулок по окрестностям Кембриджа он вдруг задумался о гайзенберговских «списках». Они представляют собой матрицы, а матрицы не коммутируют[75]— обстоятельство, которое изначально не давало покоя Гайзенбергу. Дираку была известна идея Ли, что в такой ситуации важную роль играет не произведение AB , а коммутатор AB − BA , и он всерьез заинтересовался захватывающей идеей, что некий весьма похожий объект имеется в гамильтоновом формализме описания механики, где он называется скобкой Пуассона. Но Дирак никак не мог вспомнить соответствующую формулу.

Мысли об этом занимали его почти всю ночь, а на утро он «поспешил в одну из библиотек, прямо к моменту ее открытия, и там посмотрел в уитгекеровской „Аналитической динамике“, как выглядит скобка Пуассона; оказалось, это было именно то, что требовалось». Его открытие состояло вот в чем: коммутатор двух квантовых матриц равен скобке Пуассона соответствующих классических переменных, умноженной на постоянную, равную ih/(2π) . Здесь h — постоянная Планка, i — это √−1, а π — ну, это, конечно, π .

Это было впечатляющее открытие. Оно говорило физикам, как надо превращать классические механические системы в квантовые. Стоящая за этим математика была необычайно элегантна — она соединяла две глубокие, но до того момента никак не связанные теории. На Гайзенберга это произвело впечатление.

Вклад Дирака в квантовую теорию разнообразен, и я выберу лишь одно из высших его достижений — релятивистскую теорию электрона, создание которой относится к 1927 году. К тому времени теоретики, занимавшиеся квантовой физикой, знали, что электроны обладают спином, который представляет собой нечто аналогичное моменту вращения мячика вокруг своей оси, однако характеризуется некоторыми весьма странными свойствами, которые делают эту аналогию далеко не полной. Если взять вращающийся мячик и повернуть систему на полные 360°, то и мяч, и момент его вращения окажутся в тех же положениях, которые они занимали до поворота. Однако если вы сделаете то же самое с электроном, то спин его изменит свой знак. Чтобы спин вернулся в первоначальное положение, поворачивать надо на 720°.

Это в действительности довольно сильно напоминает кватернионы, интерпретация которых как «вращений» пространства включает тот же выверт. На математическом языке, вращения пространства образуют группу SO(3), но соответствующая группа в случае кватернионов, как и в случае электронов, есть SU(2). Эти две группы почти одинаковы, только SU(2) «в два раза больше» — она в некотором смысле построена из двух экземпляров группы SO(3). Такое явление называется «двулистным накрытием», из-за чего вращение на 360° и отвечает вращению на удвоенный угол.

Дирак не использовал кватернионы, да и группами не пользовался. Но в конце 1927 года, к наступлению Рождества, он предложил свои спиновые матрицы, которые играют ту же самую роль. Позднее математики обобщили матрицы Дирака на спиноры, которые оказались очень важными в теории представлений групп Ли.

Спиновые матрицы позволили Дираку сформулировать релятивистскую квантовую модель электрона. Из модели получалось все, ради чего она создавалась, и даже немного больше. Наряду с ожидаемыми решениями с положительной энергией она предсказывала решения с отрицательной энергией. Анализируя это парадоксальное свойство, Дирак в конце концов, отбросив несколько неудачных идей, пришел к концепции «антиматерии» — т.е. к идее о том, что всякая частица имеет соответствующую античастицу с той же массой, но с противоположным зарядом. Античастица электрона представляет собой позитрон; он не был известен, пока Дирак не предсказал его существование.

Законы физики остаются (почти) неизменными, если заменить каждую частицу на ее античастицу — такая операция является симметрией природы. Дирак, на которого теория групп никогда не производила особенно большого впечатления, открыл одну из наиболее пленительных групп симметрии в природе.

После 1935 года и до момента своей смерти (в Таллахаси в 1984 году) Дирак придавал огромное значение математическому изяществу физических теорий и в своей работе использовал этот принцип в качестве основополагающего. То, что не является прекрасным, считал он, не может быть верным. В 1956 году, во время посещения Московского государственного университета, следуя традиции записывать мудрые слова на доске, дабы они сохранились для потомства, он написал: «Физический закон должен обладать математической красотой». И он говорил о «высоком математическом качестве» природы. Однако похоже, что теорию групп он никогда не считал прекрасной, быть может, из-за того, что подход физиков к группам, как правило, включает в себя громоздкие вычисления. Лишь математики, как представляется, оказались настроенными на изысканную красоту групп Ли.

 

Прекрасна она или нет, но благодаря сыну одного кожевника теория групп вскоре заняла свое место среди основных предметов, которые следовало изучать всякому подающему надежды квантовому теоретику.

На рубеже двадцатого столетия кожевенное дело было серьезным занятием (да, собственно, таким и остается). В те дни, однако, даже небольшое предприятие по дублению и продаже кожи могло приносить своему хозяину очень неплохой доход. Хорошим примером такого хозяина был Антал Вигнер, возглавлявший сыромятную мастерскую. Он и его жена Эрсебет были еврейского происхождения, однако не практиковали иудаизм. Они жили в государстве, которое тогда называлось Австро-Венгрией, в городе Пешт. После соединения с соседней Будой он превратился в современный Будапешт — столицу Венгрии.

Второй из трех их сыновей, Йена Паал Вигнер, родился в 1902 году и в возрасте от пяти до десяти лет обучался дома, у частного учителя. Вскоре после начала школьных занятий у Йены обнаружили туберкулез и отправили на лечение в австрийский санаторий. Он пробыл там шесть недель, прежде чем выяснилось, что диагноз неверный. (Окажись он правильным, мальчик, скорее всего, не дожил бы до зрелого возраста.)

Поскольку мальчика заставляли почти постоянно лежать, он занимал себя решением математических задач, просто чтобы убить время. «Мне приходилось дни напролет лежать в шезлонге, — писал он позднее, — и я отчаянно пытался придумать, как построить треугольник по трем заданным высотам». Высоты треугольника — это три линии, которые проходят через вершину и пересекают противоположную сторону под прямым углом. Если треугольник дан, то найти его высоты легко. Решить обратную задачу определенно труднее.

После выписки из санатория Йена продолжал размышлять о математике. В 1915 году он поступил в Лютеранскую гимназию в Будапеште, где в то время уже учился другой мальчик, которому предстояло стать одним из ведущих мировых математиков, — Янош (позднее — Джон) фон Нейман. Однако из знакомство оставалось лишь весьма поверхностным, поскольку фон Нейман предпочитал держаться особняком.

В 1919 году Венгрию наводнили коммунисты, и Вигнеры бежали в Австрию, вернувшись в Будапешт позднее, в том же году, когда коммунистов оттуда выбили. Все семейство перешло в лютеранство, но на Йену это большого влияния не оказало — как он говорил позднее, потому что он был «лишь умеренно религиозен». В 1920 году Йена закончил школу одним из лучших в классе. Он намеревался стать физиком, но отец хотел, чтобы он вступил в семейный кожевенный бизнес. Поэтому вместо того, чтобы получить диплом по физике, Йена стал изучать химическую инженерию: отец полагал, что она будет способствовать бизнесу. Он поступил на первый курс Будапештского технического института, а потом перешел в Высшую техническую школу в Берлине. В конце концов он стал проводить большую часть ценного времени в химической лаборатории, где ему нравилось, и меньшую часть — на теоретических занятиях.

Тем не менее Йена не оставлял мыслей о физике. Берлинский университет находился неподалеку, а кого там можно было увидеть, как не Планка и Эйнштейна вкупе с другими знаменитостями? Йена не преминул воспользоваться этой географической близостью и стал ходить на лекции бессмертных. Он закончил свою диссертацию об образовании и распаде молекул и, как и планировалось, начал работать на кожевенном заводе. Как и следовало ожидать, идея оказалась не слишком удачной. «Дела мои в дубильне шли не очень хорошо… Я чувствовал себя там не в своей тарелке… У меня не было ощущения, что это моя жизнь». Его жизнью были математика и физика.

В 1926 году с ним связался кристаллограф из Института Кайзера Вильгельма, которому требовался ассистент. Обязанности соединяли в себе в химическом контексте оба основных интереса Вигнера. Эта работа оказала огромное влияние на его карьеру, а тем самым и на развитие ядерной физики, поскольку познакомила Вигнера с теорией групп — математикой симметрии.

Первые существенные применения теории групп к физике состояли в классификации всех 230 возможных кристаллических структур. Вигнер писал: «Я получил письмо от кристаллографа, который хотел найти ответ на вопрос, почему положения, которые занимают атомы в кристаллической решетке, соответствуют осям симметрии. Кроме того, он сказал мне, что это должно иметь отношение к теории групп и что мне следует прочитать книгу по теории групп, а после этого найти ответ и сообщить ему».

Возможно, Антал Вигнер был в не меньшем ужасе, чем его сын, от сомнительных успехов последнего в области кожевенного дела, а потому позволил ему стать асситентом кристаллографа. Йена начал с чтения нескольких статей Гайзенберга по квантовой теории и развил теоретический метод вычисления спектра атома с тремя электронами. Он также понял, что этот метод может стать невероятно сложным, когда число электронов превысит три. В этот момент он обратился за советом к своему старому знакомому фон Нейману, который предложил ему почитать о теории представлений групп. Эта область математики в избытке содержала известные в то время алгебраические концепции и сложные методы, в особенности — матричную алгебру. Однако благодаря своим занятиям кристаллографией и близкому знакомству с основным на тот момент учебником по алгебре — Lehrbuch der Algebra Генриха Вебера — Вигнер преодолел матрицы без проблем.

Совет фон Неймана оказался очень хорош. Если атом обладает некоторым числом электронов, то, поскольку все электроны тождественны, атом «не знает», какой электрон какой. Другими словами, уравнения, описывающие излучение, испущенное данным атомом, должны быть симметричны относительно всех перестановок его электронов. Используя теорию групп, Вигнер разработал теорию спектра атомов с любым числом электронов.

До этого момента его работа шла в традиционном русле классической физики. Но все по-настоящему захватывающее творилось в квантовой теории. Тогда Вигнер и принялся за главный труд своей жизни — применение теории представлений групп к квантовой механике.

Занятно, что занимался он этим несмотря на свою новую работу, а не благодаря ей. Мэтр немецкой математики Давид Гильберт выказывал живой интерес к математическим принципам, лежащим в основе квантовой теории, и ему в работе требовался ассистент. В 1927 году Вигнер отправился в Геттинген и был принят там в возглавляемую Гильбертом исследовательскую группу. По идее, его роль должна была состоять в том, чтобы поддерживать связь с физикой, которая подпитывала бы обширные математические таланты Гильберта. На деле же получилось не совсем так, как задумывалось. Гильберт и Вигнер виделись за год всего пять раз. Гильберт был уже стар, утомлен и все более склонялся к уединению. Так что Вигнер вернулся в Берлин, прочитал лекции по квантовой механике и продолжил работу над своей самой знаменитой книгой «Теория групп и ее применения к квантовой механике атомных спектров».

Его частично предвосхитил Герман Вейль, также написавший книгу о группах в квантовой теории. Но основной интерес Вейля концентрировался на фундаментальных вопросах, тогда как целью Вигнера было решение конкретных физических задач. Вейль гнался за красотой, а Вигнер искал истину.

 

Подход Вигнера к теории групп можно понять в простом классическом контексте — на примере колебаний барабана. Музыкальные барабаны, как правило, округлые, но в принципе могут быть любой формы. При ударе палочкой мембрана барабана начинает вибрировать и создает звук. Барабаны различных форм производят различные звуки. Полоса частот, которые может создать данный барабан, называемая его спектром, сложным образом зависит от его формы. Если барабан симметричен, то можно ожидать, что симметрия появится и в его спектре. Она там и появляется, но довольно тонким образом.

Представим себе прямоугольный барабан — из числа тех, какие нечасто увидишь за пределами математических факультетов. Типичные колебания такого барабана разбивают его поверхность на некоторое число меньших прямоугольников, как, например, показано на рисунке.

На рисунке мы видим различные картины колебаний с двумя различными частотами. Это мгновенные снимки этих колебаний. Темные области смещены вниз, а светлые — вверх.

 

 

Две картины колебаний прямоугольного барабана.

 

Из симметрий барабана вытекают следствия для картин колебаний, поскольку любое преобразование симметрии барабана можно применить к любой возможной картине колебаний, что даст другую возможную картину колебаний. Таким образом, каждая картина колебаний включается в набор других, связанных с ней в соответствии с симметрией. Однако каждая отдельная картина колебаний не обязана иметь те же симметрии, что и барабан. Например, прямоугольник симметричен относительно вращения на 180°. Если применить это преобразование симметрии к двум приведенным выше картинам, они примут вид, показанный на рисунке.

Левая картина не изменилась, так что она, как и барабан, обладает симметрией относительно данного вращения. Но на правой темные и светлые области поменялись местами. Этот эффект называется спонтанным нарушением симметрии, и он очень распространен в физических системах: он возникает, когда в симметричной системе имеются состояния с более низкой симметрией. Левая картина не нарушает симметрии, а правая — нарушает. Посмотрим внимательно на правую картину и разберемся, что следует из ее нарушенной симметрии.

 

 

Те же две картины колебаний прямоугольного барабана после поворота барабана на 180°.

 

Хотя исходная картина и результат ее поворота не совпадают, обе осуществляют колебания на одной и той же частоте, поскольку поворот является симметрией барабана, а следовательно, и тех уравнений, которые описывают его колебания. Поэтому спектр колебаний барабана содержит данную конкретную частоту «два раза». Может показаться, что это трудно наблюдать экспериментально, но если слегка модифицировать барабан, так, чтобы нарушить его вращательную симметрию — скажем, сделать небольшую вмятину вдоль одного из краев, — то две данные частоты начнут слегка отличаться друг от друга, и тогда мы сможем заметить наличие двух очень близких частот. Такого не случилось бы, если бы данная частота содержалась в симметричном барабане только один раз.

Вигнер понял, что тот же эффект возникает для симметричных молекул, атомов и атомных ядер. Звуки, издаваемые барабаном, становятся здесь колебаниями молекул, а спектр звуков заменяется на спектр испущенного или поглощенного света. В квантовом мире спектр создается переходами между состояниями с различными энергиями, и атом излучает фотоны, энергия которых (а потому, как учит нас Планк, и частота) соответствует разнице этих энергий. А спектр можно детектировать, используя спектроскоп. И опять же, некоторые из частот — наблюдаемые в виде спектральных линий — могут оказаться двойными (или имеющими более высокую кратность) в силу симметрии, которой обладают молекула, атом или ядро.

Как детектировать это кратности? В отличие от барабана в молекуле нельзя сделать вмятину. Но можно поместить молекулу в магнитное поле. Оно также разрушает исходную симметрию и приводит к расщеплению спектральных линий. Далее можно использовать теорию групп — точнее, теорию представлений групп — для вычисления частот и того, как они расщепляются.

Теория представлений — одна из самых прекрасных и мощных математических теорий, но она также предъявляет высокие технические требования и содержит множество скрытых ловушек. Вигнер превратил ее в высокое искусство. Другие пытались следовать за ним по пятам.

 

В 1930 году американский Институт высших исследований в Принстоне предложил Вигнеру работу по совместительству, и он начал курсировать между Принстоном и Берлином. В 1933 году нацисты провели закон, запрещавший евреям работать в университетах, так что Вигнер перебрался в Соединенные Штаты на постоянное жительство — собственно в Принстон, где он поменял свое имя на англизированный вариант — Юджин Пол. Его сестра Маргит приехала к нему в Принстон и познакомилась с Дираком, находившимся там с визитом. В 1937 году, к изумлению многих, они поженились.

С браком Маргит все было хорошо, зато с работой Юджина — нет. В 1936 году Вигнер писал: «Из Принстона меня выгнали. Никто не объяснил почему. Трудно представить, насколько я зол». В действительности Вигнер сам написал заявление об уходе — по-видимому, потому, что его карьерный рост происходил недостаточно быстро. Можно предположить, что отказ Принстонского института продвигать его дальше был им воспринят как завуалированное предложение подать в отставку, так что он верил в то, что его выгнали.

Он быстро нашел новую работу в университете Висконсина, принял гражданство США и познакомился со студенткой-физиком по имени Амелия Франк. Они поженились, но в течение года Амелия умерла от рака.

В Висконсине Вигнер переключился на исследование ядерных сил и обнаружил, что ими управляет группа симметрии SU(4). Он также сделал фундаментальное открытие, относящееся к группе Лоренца, опубликовав его в 1939 году.

Однако в то время теория групп не была стандартной частью образования физика, и ее основными применениями оставались довольно специальные области кристаллографии. Для большинства физиков теория групп выглядела и сложной, и непривычной — сочетание достаточно фатальное. Квантовые физики, пришедшие в ужас от того, что свалилось им на голову, описывали происходящее как Gruppenpest , т.е. групповую заразу. Вигнер вызвал эпидемию, а его коллеги не желали заражаться. Однако взгляды Вигнера оказались пророческими. Теоретико-групповые методы заняли доминирующее положение в квантовой механике, поскольку влияние симметрии оказалось всепроникающим.

В 1941 году Вигнер женился во второй раз, на учительнице по имени Мари Эннетт. У них родились двое детей, Дэвид и Марта. Во время войны Вигнер, как и фон Нейман, вместе со многими ведущими математическими физиками работал над Манхэттенским проектом — созданием атомной бомбы. Ему была присуждена Нобелевская премия по физике в 1963 году.

Несмотря на долгие годы жизни в США, Вигнер неизменно скучал по своей родине. «После 60 лет в Соединенных Штатах, — писал он в старости, — я все еще более венгр, нежели американец. Американская культура по большей части от меня далека». Он умер в 1995 году. Физик Абрахам Пейс описывал его как «очень странного человека… одного из гигантов физики двадцатого столетия». Развитые им подходы заодно произвели революцию и в двадцать первом столетии.

 

Глава 13





Дата добавления: 2017-01-14; Просмотров: 7; Нарушение авторских прав?;


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:





studopedia.su - Студопедия (2013 - 2017) год. Не является автором материалов, а предоставляет студентам возможность бесплатного обучения и использования! Последнее добавление ‚аш ip: 54.159.123.105
Генерация страницы за: 0.088 сек.