P.A.M. Dirac i jego równanie (1927-1928)

Paul Dirac znany był z powściągliwej małomówności i z tego, że nie wdaje się w grzecznościowe pogaduszki. Richard Feynman opowiadał, że kiedy spotkał po raz pierwszy Paula Diraca na jakiejś konferencji, to po długiej chwili milczenia starszy uczony rzekł: „Mam równanie. Czy pan także?”

Rozmaite wypowiedzi Diraca cytowane są często jako żarty, gdyż brzmią z pozoru absurdalnie. Paul Adrien Maurice Dirac sprawiał wrażenie postaci beckettowskiej: chudy, z długimi kończynami i wielkimi stopami, nie okazujący emocji, porozumiewający się pełnymi zdaniami (ponieważ nie wolno zacząć zdania, jeśli się nie wie, jak je zakończyć), myślący w kategoriach logicznych i matematycznych, a nie emocjonalnych czy etycznych. Jego przyjaciel Charles Galton Darwin, fizyk, wnuk twórcy teorii ewolucji, dopiero po kilku latach znajomości z Dirakiem odważył się zapytać, co właściwie znaczą inicjały P.A.M. przed jego nazwiskiem. Po przeczytaniu Zbrodni i kary Dostojewskiego Dirac miał tylko jedną uwagę, i to raczej techniczną niż etyczną czy psychologiczną: otóż w książce słońce wschodzi dwukrotnie tego samego dnia.

Anegdota z równaniem mówi sporo o obu rozmówcach. Dirac cenił konkrety, lubił np. słuchać wielogodzinnych monologów Nielsa Bohra, ale wątpił, czy coś z nich wyniósł, ponieważ prawie wcale nie było w nich równań. Toteż cenił sobie niewątpliwie fakt, iż odkrył jedno z fundamentalnych równań przyrody, które stosuje się do wszystkich cząstek o spinie ½: a więc elektronów, protonów, nieodkrytych jeszcze wtedy neutronów oraz kwarków, z których nukleony się składają. Feynman pozostawił po sobie wprawdzie całki Feynmana, diagramy Feynmana i wiele innych osiągnięć, nie odkrył jednak nigdy żadnego fundamentalnego prawa przyrody i jak się zdaje jego ambicja cierpiała z tego powodu.

Jesienią 1927 roku Paul Dirac, młodzieniec zaledwie dwudziestopięcioletni, zaproszony został na Kongres Solvaya do Brukseli. Była to konferencja bardzo elitarna, gromadząca obecne i przyszłe znakomitości naukowe. Na pamiątkowym zdjęciu siedzi w samym środku za Einsteinem, wiemy, że bardzo był dumny z tej fotografii i posłał ją na swój macierzysty uniwersytet w Bristolu. Niewykluczone, że specjalnie usiadł za Einsteinem, jego teorię względności podziwiał bowiem od lat i poznał, zanim jeszcze zajął się fizyką atomową – jak to wtedy mówiono, czyli fizyką mikroświata. Najważniejsze postacie na tym zdjęciu to Niels Bohr i Max Born, przywódcy i patroni całego ruchu kwantowej odnowy w fizyce. W Kopenhadze i Getyndze tworzyły się zasady nowej mechaniki. Zaczęła ją praca Wernera Heisenberga z 1925 roku. Niedługo później dołączyli Born i Pascual Jordan.

Od jesieni 1925 roku mechanikę kwantową współtworzył też Paul Dirac. Był studentem Ralpha Fowlera w Cambridge. Fowler rozpoznał jego niebywały talent: młody inżynier elektryk i absolwent studiów drugiego stopnia z matematyki na uniwersytecie w Bristolu dostał stypendium do Cambridge i błyskawicznie uzupełnił braki z fizyki, nie tylko najnowszej, nie znał np. dotąd równań Maxwella. Fowler miał znakomite kontakty i chyba one przydały się Diracowi najbardziej. Młody uczony otrzymał od niego jeszcze przed drukiem korekty artykułu Heisenberga i zrozumiał ich znaczenie. Kiedy niedługo później opublikował swoją pierwszą pracę na temat mechaniki kwantowej, Max Born zdumiony był, że pojawił się ktoś spoza wąskiej grupy znanych mu ludzi pracujących w tej dziedzinie i w dodatku jego osiągnięcia są porównywalne do tego, co udało się stworzyć w Getyndze i Kopenhadze. Dirac, równieśnik Jordana, miał dwadzieścia trzy lata, pół roku mniej niż Heisenberg i dwa lata mniej niż Wolfgang Pauli. Pracował nad doktoratem. Dzięki Fowlerowi jego prace szybko się ukazywały w „Proceedings of the Royal Society”, a czas bardzo się wtedy liczył. Dirac zaczął korespondować z Hiesenbergiem, który od razu poczuł ogromny respekt do brytyjskiego kolegi. Po doktoracie wyjechał do Kopenhagi i Getyngi. Poznał wielu fizyków, ale nie zmienił swej metody pracy: przez sześć dni w tygodniu intensywne myślenie od rana do obiadu, w niedziele piesze wycieczki. Nie współpracował też z nikim, przez całe życie pracował sam, uważając, że tak jest najlepiej, bo ważne idee są zawsze dziełem konkretnego człowieka, nie zespołu.

Tak więc po dwóch latach swej naukowej kariery Dirac znalazł się w elitarnym gronie na Konferencji Solvaya. Przeszła ona do historii za sprawą dyskusji Bohra z Einsteinem, który nie potrafił się pogodzić z probabilistycznym charakterem nowej mechaniki – można w niej obliczać i przewidywać jedynie prawdopodobieństwa zdarzeń. To w trakcie jednej z takich dyskusji padły słynne słowa: „Bóg nie gra w kości”. W mechanice kwantowej zrezygnować trzeba także z pełnej wiedzy o zjawiskach w mikroświecie: im dokładniej zmierzymy położenie elektronu, tym mniej będziemy wiedzieli na temat jego pędu. Dirac zupełnie nie interesował się sporami filozoficznymi na temat podstaw mechaniki kwantowej. Dla niego była to piękna teoria, do której zbudowania się przyczynił, fascynowała go matematyczna elegancja całego obrazu, napisał zresztą niedługo później słynną książkę The Principles of Quantum Mechanics, przedstawiającą całą tę konstrukcję w niezrównany klarowny, choć też niezwykle zwięzły sposób.

Jesienią 1927 roku Paul Dirac pragnął odkryć swoje równanie. Chodziło o rozwiązanie zagadnienia elektronu w sposób zgodny z teorią względności Einsteina. Z problemem tym pierwszy zetknął się w roku 1925 Erwin Schrödinger, drugi outsider fizyki kwantowej, pracujący w Zurychu. Wiadomo było, że cząstki takie jak elektron związane są z pewnymi wielkościami falowymi. Schrödinger przyjął, że stan elektronu opisywany jest pewną funkcją położenia i czasu . Funkcja ta spełniać musi równanie o postaci

gdzie jest pewnym operatorem działającym na funkcję. Najłatwiej wyjaśnić to na przykładach. Operatorem takim jest np. mnożenie przez którąś ze współrzędnych, np. . Wynikiem działania tego operatora jest nowa funkcja równa . Innym operatorem jest różniczkowanie, np. po zmiennej x. Wynikiem działania tego operatora jest wówczas . Innym przykładem operatora jest pochodna po czasie z lewej strony równania Schrödingera. Za każdym razem tworzymy z wyjściowej funkcji jakąś nową funkcję. Operator zwany hamiltonianem (albo operatorem Hamiltona) jest kwantową wersją wyrażenia na energię cząstki. Jeśli np. energia cząstki o masie składa się z energii kinetycznej i potencjalnej , to możemy ją zapisać w postaci

Kwantowy operator Hamiltona będzie wówczas równy

Operator jest po prostu operatorem mnożenia, energię kinetyczną konstruujemy z pędu za pomocą podstawienia

i analogicznie dla pozostałych współrzędnych. Równanie Schrödingera (*) jest podstawowym prawem mechaniki kwantowej. Rozwiązując je, dowiadujemy się, w jaki spośob zmienia się funkcja falowa, a więc stan naszego elektronu. Najprostszym możliwym rozwiązaniem tego równania w przypadku cząstki swobodnej (tzn. gdy ) jest funkcja opisującą falę:

gdzie oraz są parametrami liczbowymi. Łatwo sprawdzić, że różniczkowanie tej funkcji sprowadza się do mnożenia przez odpowiedni czynnik i ostatecznie równanie Schrödingera da nam warunek:

jak powinno być dla cząstki swobodnej i parametry są składowymi pędu oraz energią cząstki. Zbudowaliśmy stan o określonej energii i jednocześnie określonym pędzie. Jasne jest, że przyjmujemy tu energię kinetyczną w postaci newtonowskiej, a więc nierelatywistycznej.

Erwin Schrödinger początkowo poszukiwał równania relatywistycznego dla swojej funkcji i nawet takie równanie znalazł. Ma ono następującą postać w przypadku swobodnym:

Podstawiając do niego funkcję (**), otrzymamy równanie

a więc prawidłowy związek energii i pędu dla cząstki o masie w teorii względności. Oczywiście równanie dla cząstki swobodnej niewiele znaczy, interesujące są przypadki, gdy mamy pewien potencjał , np. gdy elektron porusza się w polu elektrostatycznym nieruchomego protonu. Jest to prawie atom wodoru (prawie – ponieważ w prawdziwym atomie wodoru proton, choć znacznie masywniejszy, może też się poruszać). Nietrudno równanie Kleina-Gordona rozszerzyć tak, aby zawierało zewnętrzne pole elektromagnetyczne. Wiadomo było jednak, że elektron ma spin, co sprawia, że jego stany są podwojone i np. w polu magnetycznym ta różnica się ujawnia jako rozszczepienie linii widmowych (efekt Zeemana). Czemu więc Schrödinger nie opublikował tego równania, które dziś nazywa się równaniem Kleina-Gordona? Schrödinger uznał, że trzeba ograniczyć się na początek do równania nierelatywistycznego i opublikował równanie (*) zastosowane m.in. do atomu wodoru. Nie jest jasne, czy chodziło mu o brak spinu, czy może dostrzegł inne trudności z rozwiązaniami równania Kleina-Gordona.

Z punktu widzenia Diraca równanie Kleina-Gordona nie było rozwiązaniem problemu elektronu. Owszem, relatywistyczny związek między energią i pędem cząstki był spełniony, ale równanie zawierało drugą pochodną czasową, a nie pierwszą jak równanie Schrödingera. Zdaniem Diraca równanie podstawowe powinno być pierwszego rzędu w czasie, tak aby wartości funkcji falowej w danej chwili determinowały jej wartości w przyszłości (w przypadku równania drugiego rzędu należy znać jeszcze wartości pochodnych czasowych). Jak pogodzić to z relatywistyczną postacią energii? Hamiltonian powinien mieć postać:

Oczywiście, wyciąganie pierwiastka kwadratowego z laplasjanu nie jest operacją standardową. Inżyniersko nastawiony do matematyki Paul Dirac, nieodrodny spadkobierca Olivera Heaviside’a, nie zamierzał się poddawać z tak trywialnego powodu. Równanie dla cząstki swobodnej powinno być pierwszego rzędu w czasie, w teorii względności znaczy to, że powinno być także pierwszego rzędu w pochodnych przestrzennych – poniważ przestrzeń i czas są symetryczne u Einsteina. Należy więc szukać równania postaci

gdzie sumujemy po wskaźnikach czasoprzestrzennych oraz . Żądamy, aby nie zależały od czasu ani współrzędnych przestrzennych, a także aby dwukrotne zastosowanie operatora po lewej stronie dało nam , jak w równaniu Kleina-Gordona – wtedy relatywistyczny związek energii i pędu będzie spełniony. Łatwo zauważyć, że stanie się tak, jeśli

gdzie jest metryką czasoprzestrzeni Minkowskiego. Jakimi obiektami muszą być owe cztery ? Mają one antykomutować ze sobą, czyli ich iloczyn zmienia znak przy przestawieniu, a kwadraty mają być równe . Dirac odkrył, że muszą być macierzami 4×4, a więc funkcja musi zawierać cztery składowe:

Inaczej mówiąc, równanie (***) jest układem czterech równań liniowych o stałych współczynnikach. Zaraz po Nowym Roku 1928 Ralph Fowler przekazał pracę do druku i miesiąc później się ukazała. Po miesiącu Dirac uzupełnił ją o drugą część. Mógł być teraz pewien: miał swoje równanie.

Dirac zaczął sprawdzać konsekwencje odkrytego równania. Okazało się, że zawiera ono informację o stanach spinowych elektronu. Co więcej, spinowy moment pędu okazywał się równy , a moment magnetyczny równy dokładnie magnetonowi Bohra. Znaczyło to, że w tym przypadku stosunek momentu magnetycznego do momentu pędu jest dwukrotnie większy niż dla orbitalnego momentu pędu, co potwierdzały eksperymenty (Nb. w roku 1915 Albert Einstein i Wander de Haas, zięć Hendrika Lorentza, przegapili okazję do pierwszorzędnego odkrycia doświadczalnego, zmierzyli bowiem ten stosunek i wyszedł im taki, jak oczekiwali, ale dwa razy mniejszy niż w rzeczywistości). Równanie elektronu Diraca w polu kulombowskim odtwarzało znane wyniki dla energii uzyskane wcześniej przez Arnolda Sommerfelda za pomocą relatywistycznej wersji modelu Bohra (model Bohra-Sommerfelda).

Co z czterema składowymi funkcji falowej? Potrzebne były dwie składowe do opisania spinu, ale cztery? Równanie Diraca zawiera rozwiązania zarówno dla energii dodatniej , jak i . Paul Dirac zauważył też, że rozwiązania te stwarzają realny problem: energia elektronu nie jest bowiem ograniczona z dołu, a to w przypadku układu kwantowego znaczy, że prędzej czy później powinien on przejść do stanu o niższej energii. W mechanice kwantowej panuje skrajny liberalizm: wszystko, co nie jest zabronione, jest dozwolone i się kiedyś zdarzy. Jedynym wyjściem wydawało się znaleźć jakiś zakaz, który musiałby być naruszany podczas takiego przejścia. Dwa lata później Dirac zaproponował, że stany o ujemnej energii są zajęte, więc ponieważ elektrony podlegają zakazowi Pauliego, zwykle nie ma takich przejść. Możliwe jest wzbudzenie elektronu z ujemną energią do stanu z energią dodatnią, pozostawi on dziurę, która będzie się zachowywać jak cząstka o takiej samej masie, lecz dodatnia. Otrzymujemy w ten sposób parę elektron i antyelektron. W 1932 roku cząstka taka została odkryta i nazwana pozytonem. Nic więc dziwnego, że już w roku następnym P.A.M. Dirac otrzymał Nagrodę Nobla (po połowie ze Schrödingerem). Inne wyjaśnienie dla rozwiązań o energii ujemnej podał później Richard Feynman: u niego pozytony są elektronami, które poruszają się wstecz w czasie, zamiast energii zmienia się znak czasu. Współczesna kwantowa teoria pola nie potrzebuje takich obrazów, wprowadza się w niej przestrzeń stanów bogatszą niż w mechanice kwantowej, gdyż pojawia się możliwość procesów kreacji oraz anihliacji par. Równanie Diraca obowiązuje nadal, lecz zamiast funkcji falowej mamy operator pola, obiekt jeszcze nieco bardziej abstrakcyjny.

Znakomitą biografię Diraca napisał Graham Farmelo, została ona jednak całkiem popsuta w polskim przekładzie, który językowo jest poniżej wszelkiej krytyki. Szkoda, bo pewnie nieprędko pojawi się drugie wydanie.