Paul Dirac – drugi początek mechaniki kwantowej (1925)

Latem 1925 roku Werner Heisenberg wystąpił w Cambridge z odczytem w Klubie Kapicy. Było to nieformalne stowarzyszenie powołane do życia przez pełnego temperamentu rosyjskiego fizyka Piotra Kapicę, coś w rodzaju klubu naukowego doktorantów i studentów. Chwila była ważna: Heisenberg zaczął właśnie budować pierwsze zręby nowej mechaniki kwantowej. Sam jeszcze nie był pewny, co z tego wyjdzie, nikt pewnie nie przypuszczał, że chodzi o największe odkrycie XX wieku (obok teorii względności). W swoim wystąpieniu Heisenberg omówił swoją pracę na temat efektu Zeemana, a pod koniec wspomniał o nowych rewolucyjnych pomysłach.

Jednym ze słuchaczy był Paul Dirac. Wydawałoby się zatem, że wtedy właśnie dowiedział się, i to wprost od samego autora o koncepcji mechaniki kwantowej. Jeśli A mówił na temat X, a B tego słuchał, to zapewne B zapoznał się w ten sposób z X. Nie zawsze to prawda, podobnie jak z obecności na wykładzie niekoniecznie wynika, że student się czegoś dowiedział. W tym przypadku mamy świadectwo samego Diraca. Twierdził on, że zupełnie zapomniał o tej części wystąpienia Heisenberga i nawet był przekonany, że niemiecki uczony nic nie wpomniał o swej ostatniej pracy. Nie ma powodu nie wierzyć Diracowi, który był prawdomówny do bólu. Pracę Heisenberga otrzymał we wrześniu 1925 roku w postaci korekty drukarskiej. Heisenberg wysłał ją do Ralpha Fowlera, ten zaś napisał na odbitce: „Co o tym myślisz?” i przesłał ją swemu doktorantowi Diracowi do Bristolu. Nie był to przypadek, Fowler poznał się na zdolnościach swego milczącego i niezbyt towarzyskiego studenta. Jednak i we wrześniu Dirac nie zrozumiał od razu znaczenia pracy Heisenberga. Stało się tak dopiero po kilku tygodniach. Zaczął wówczas rozmyślać nad tym zagadnieniem i zaproponował własną wersję podejścia do problemu. Werner Heisenberg należał do wąskiej grupy uczonych zajmujących się zagadnieniem budowy atomu, orientował się nie tylko w opublikowanych osiągnięciach, ale brał udział w dyskusjach, wiedział, kto nad czym pracuje – słowem, korzystał w pełni z przynależności do czołówki ówczesnych fizyków. Dirac pracował sam, korzystając jedynie z tego, że Ralph Fowler był dobrze poinformowany w aktualnej sytuacji fizyki kwantowej na kontynencie. Zadziwiające, że potrafił w takich warunkach bardzo wiele osiągnąć w tej i w następnych pracach. Zresztą i później pracował sam, prawdopodobnie inaczej nie potrafił. Niektórzy twierdzą, że Paul Dirac był największym fizykiem XX wieku. Jego prace nigdy wszakże nie były popularne, nie mogły stać się nagłówkami w gazetach, był uczonym budzącym respekt wśród znających się na rzeczy, nie mógł też podobać się dziennikarzom – potrzebującym paru chwytliwych słów i nie mającym czasu, by zgłębić jakąkolwiek sprawę (*).

W pracy Heisenberga Dirac zwrócił przede wszystkim na fakt, że wielkości fizyczne, takie jak pęd czy współrzędna mogą nie być zwykłymi funkcjami czasu, lecz wielkościami, których mnożenie jest nieprzemienne: xy\neq yx. Fizycy wcześniej nie posługiwali się podobnymi pojęciami. Dirac miał naturalną łatwość operowania abstrakcyjnymi pojęciami, nie zaprzątał też sobie zbytnio głowy kwestią interpretacji formalizmu. Zaczął się zastanawiać nad sensem nieprzemienności, czym jest wyrażenie xy-yx? (Obecnie nazywa się ono komutatorem i oznaczane jest [x,y].)
Pewnej październikowej niedzieli, podczas cotygodniowej pieszej wycieczki, Dirac przypomniał sobie, że widział już wyrażenie podobne do komutatora w podręcznikach mechaniki klasycznej. Komutatory przypominały tzw. nawiasy Poissona. Nie był jednak pewien, czy dobrze pamięta. W żadnej z książek, które miał u siebie w pokoju, nie było definicji nawiasów Poissona. Ponieważ w niedzielę biblioteka była zamknięta, nie mógł od razu sprawdzić, czy skojarzenie jest prawidłowe. Wspominał później:

„Noc przeszła mi w męczącym oczekiwaniu, wciąż nie wiedziałem, czy mój pomysł ma jakąkolwiek wartość, ale stopniowo moje przekonanie rosło. Rankiem wybrałem się do biblioteki od razu po jej otwarciu i kiedy znalazłem w Mechanice analitycznej [E.T.] Whittakera definicję nawiasu Poissona, stwierdziłem, że jest dokładnie to, czego mi potrzeba. Był on całkowicie analogiczny do komutatora.

Nawiasy Poissona są zaawansowanym sposobem zapisu równań mechaniki w formalizmie Hamiltona. Stan układu określony jest przez podanie położenia q oraz pędu p (w razie potrzeby wprowadzamy większą liczbę współrzędnych i odpowiadających im pędów). Dynamikę układu, czyli jego ewolucję w czasie, określa funkcja zwana hamiltonianem H. W najprostszym przypadku cząstki o masie m w polu zewnętrznym V(q) hamiltonian jest po prostu sumą energii kinetycznej i potencjalnej:

H(q,p)=\dfrac{p^2}{2m}+V(q).

Znając hamiltonian, możemy napisać równania na pochodne czasowe położenia oraz pędu:

\dot{q}=-\dfrac{\partial H}{\partial q}, \: \dot{p}=\dfrac{\partial H}{\partial p}.

Łatwo zobaczyć, że w najprostszym przypadku równania te są równoważne II zasadzie dynamiki Newtona. Ich zaletą jest ogólność: możemy w rozmaity sposób definiować nowe współrzędne i pędy tak, by postać równań Hamiltona została zachowana. Hamiltonian będzie się przy tym zmieniać, w szczególnie prostych przypadkach może on się nawet redukować do jakiejś bardzo prostej funkcji, np. liniowej w pędzie i w ogóle nie zawierającej współrzędnych. Wtedy rozwiązanie układu równań jest trywialne (oczywiście, nie zawsze łatwo odgadnąć postać takich współrzędnych, które niejako wykonają pracę za nas).

Jeśli f(q,p), g(q,p) są dowolnymi funkcjami położeń i pędów, to ich nawias Poissona ma postać:

\left\{f,g\right\}=\dfrac{\partial f}{\partial q}\dfrac{\partial g}{\partial p}-\dfrac{\partial f}{\partial p}\dfrac{\partial g}{\partial q}.

Łatwo sprawdzić, że nawiasy Poissona są antysymetryczne (zmieniają znak przy przestawieniu funkcji), liniowe, spełniają dla dowolnych trzech funkcji f,g,h warunek Leibniza:

\left\{fg,h\right\}=f\left\{g,h\right\}+\left\{f,h\right\}g.

oraz tożsamość Jacobiego:

\left\{f,\left\{g,h\right\}\right\}+\left\{g,\left\{h,f\right\}\right\}+\left\{h,\left\{f,g\right\}\right\}.

Łatwo sprawdzić, że komutator dwóch wielkości będzie także spełniał powyższe warunki, jeśli tylko mnożenie jest łączne oraz rozdzielne względem dodawania. Analogię tę zauważył Dirac. A więc komutator w mechanice kwantowej odgrywałby rolę analogiczną do nawiasów Poissona.

Definicja Poissona nie była przypadkowa, pochodną każdej funkcji f położenia i pędu po czasie możemy zapisać jako

\dot{f}=\left\{f,H\right\}.

W szczególności, wstawiając f=q oraz f=p, dostaniemy równania ruchu w postaci Hamiltona. Najbardziej podstawowe nawiasy Poissona mają postać:

\left\{ q,q\right\}=\left\{ p,p\right\}=0, \; \left\{q,p\right\}=1.

Znając te podstawowe nawiasy oraz zakładając wyliczone wyżej własności ogólne nawiasów, można łatwo znaleźć nawiasy dla wielomianów zmiennych q,p, a stąd w zasadzie dla każdej rozsądnej funkcji tych zmiennych.

Praca Diraca była czymś więcej niż tylko trafnym zgadywaniem. Obliczył on, że w granicy dużych liczb kwantowych komutator powinien przechodzić w nawias Poissona pomnożony przez stałą:

[f,g] \approx i\hbar \left\{f,g\right\}.

Przyjmując więc odpowiednie wartości komutatorów, mamy pewność, że formalizm kwantowy redukuje się do klasycznej mechaniki. Dirac otrzymał w ten sposób reguły komutacyjne, które stanowią podstawę nowej teorii. W tym samym czasie w Getyndze Born i Jordan otrzymali je także, o czym jednak Dirac nie wiedział. Odpowiedniość nie jest do końca automatyczna, ponieważ gdy zmienne q,p nie komutują, ich kolejność ma znaczenie i temu samemu wyrażeniu klasycznemu odpowiadają rozmaite wyrażenia kwantowe.

Był to debiut Diraca w dziedzinie mechaniki kwantowej. To ta praca wprawiła w osłupienie Maxa Borna: nikomu nieznany student zrobił to samo, co najznakomitsi uczeni z Getyngi i wykazał przy tym samodzielność i dojrzałość. Dopiero w czerwcu następnego roku miał zrobić doktorat.

(*) Ostatnim przykładem takiej dziennikarskiej hucpy jest doniesienie o udowodnieniu hipotezy Riemanna przez sir Michaela Atiyaha. Pisałem o hipotezie Riemanna, jest to największy otwarty problem matematyki. Atiyah był genialnym matematykiem, który zdobył w swoim czasie wszelkie możliwe nagrody, ale obecnie ma 90 lat i od paru lat zasypuje świat niepotwierdzonymi rewelacjami. W dodatku hipoteza Riemanna miałaby być udowodniona wraz z rozważaniami na temat stałej struktury subtelnej – problem w tym, że stała ta bynajmniej nie jest stałą i nic sensownego na jej temat chyba się nie da powiedzieć. Niegdyś Arthur Eddington twierdził, że zna fundamentalne powody, dla których stała ta równa jest dokładnie 1/137. Jednak w rzeczywistości nie jest ona dokładnie równa tej wartości, więc całe to wyjaśnienie nie ma sensu. Obawiam się, że podobnie jest z dowodem Atiyah. Dziennikarze obwieszczają teraz wiadomość o dowodzie, potem będą mieli drugą okazję, aby to sprostować. Jest skrajnie nieprawdopodobne, aby hipotezę Riemanna udowodnić w paru linijkach – jak twierdzi Atiyah. To tak nie działa.

 

 

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 \psi(\vec{r},t). Funkcja ta spełniać musi równanie o postaci

i\hbar \dfrac{\partial\psi}{\partial t}=H\psi \mbox{ (*)},

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

E=\dfrac{{\vec{p}\,}^2}{2m}+V(\vec{x}).

Kwantowy operator Hamiltona będzie wówczas równy

H=-\dfrac{\hbar^2}{2m}\left(\dfrac{\partial^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial^2}{\partial y^2}+\dfrac{\partial^2}{\partial z^2}\right)+V(\vec{r})\equiv -\dfrac{\hbar^2}{2m}\Delta+V(\vec{r}).

Operator V(\vec{r}) jest po prostu operatorem mnożenia, energię kinetyczną konstruujemy z pędu za pomocą podstawienia

p_x\rightarrow -i\hbar\dfrac{\partial}{\partial x}

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 V=0) jest funkcja opisującą falę:

\psi=A \exp{\frac{i}{\hbar}(\vec{p}\,\vec{r}-Et)}, \mbox{ (**)}

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

E=\dfrac{\vec{p}\,^2}{2m},

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 \psi i nawet takie równanie znalazł. Ma ono następującą postać w przypadku swobodnym:

\dfrac{1}{c^2}\dfrac{\partial^2 \psi}{\partial {t}^2}-\Delta \psi+\left(\dfrac{mc}{\hbar}\right)^2 \psi=0.

Podstawiając do niego funkcję (**), otrzymamy równanie

E^2-p^2c^2=m^2c^4,

a więc prawidłowy związek energii i pędu dla cząstki o masie m w teorii względności. Oczywiście równanie dla cząstki swobodnej niewiele znaczy, interesujące są przypadki, gdy mamy pewien potencjał V(\vec{r}), 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:

H=\sqrt{-c^2\hbar^2 \Delta+m^2c^4},

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

i\hbar \gamma^{\mu}\dfrac{\partial \psi}{\partial x^{\mu}}=mc\psi, \mbox{ (***)}

gdzie sumujemy po wskaźnikach czasoprzestrzennych \mu=0,1,2,3 oraz x^0=ct. Żądamy, aby \gamma^{\mu} nie zależały od czasu ani współrzędnych przestrzennych, a także aby dwukrotne zastosowanie operatora po lewej stronie dało nam m^2, jak w równaniu Kleina-Gordona – wtedy relatywistyczny związek energii i pędu będzie spełniony. Łatwo zauważyć, że stanie się tak, jeśli

\gamma^{\mu}\gamma^{\nu}+\gamma^{\nu}\gamma^{\mu}=2g^{\mu\nu}=2\cdot diag(1,-1-1-1),

gdzie g^{\mu\nu} jest metryką czasoprzestrzeni Minkowskiego. Jakimi obiektami muszą być owe cztery \gamma^{\mu}? Mają one antykomutować ze sobą, czyli ich iloczyn zmienia znak przy przestawieniu, a kwadraty mają być równe \pm 1. Dirac odkrył, że \gamma^{\mu} muszą być macierzami 4×4, a więc funkcja \psi musi zawierać cztery składowe:

\psi=\begin{pmatrix} \psi_1\\ \psi_2 \\ \psi_3 \\ \psi_4 \end{pmatrix}.

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 \hbar/2, 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 +\sqrt{p^2c^2+m^2c^4}, jak i -\sqrt{p^2c^2+m^2c^4}. 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.

Jak gęsta może być materia? Białe karły, Stoner i Chandrasekhar (1930-1931)

31 lipca 1930 roku z Mumbaju odpłynął parowiec „Lloyd Triestino”. Wśród pasażerów znajdował się dziewiętnastoletni Subrahmanyan Chandrasekhar, udający się do Anglii stypendysta rządu indyjskiego. Zdążył on opublikować już pierwszą pracę na temat statystyk kwantowych, dwa lata wcześniej dowiedział się od przebywającego gościnnie w Indiach Arnolda Sommerfelda, że całej fizyki mikroświata należy nauczyć się na nowo i wszystkie podręczniki sprzed kilku lat są już nieaktualne. Zaczął więc z zapałem czytać artykuły dotyczące mechaniki kwantowej i pierwszą swą pracę wysłał do Anglii do Ralpha Fowlera z Cambridge. Wiedział o nim tylko tyle, że uczony ten zaproponował kwantowe wyjaśnienie problemu tzw. białych karłów – niewielkich gwiazd zbudowanych z niezwykle gęstej materii nawet 100 000 razy gęstszej od wody. Astronomowie, którzy uzyskiwali tak wysokie szacowania gęstości, nie potrafili zrazu w nie uwierzyć, sądząc, że w obliczenia musiał wkraść się jakiś niezidentyfikowany błąd. W astronomii dość często się zdarza, że trzeba rewidować dotychczasowe założenia i wyniki. Podczas podróży Chandrasekhar unikał balów i wieczorków organizowanych na statku, był zresztą wegetarianinem i nie brał do ust wielu podawanych potraw. Pracował. Jego obliczenia wskazywały, że białe karły nie mogą być zbyt masywne, gdyż nie będą stabilne. Wynik ten stał w sprzeczności z dotychczasową wiedzą i Chandrasekhar miał stoczyć trudną wieloletnią walkę o uznanie prawdziwości jego obliczeń. Białe karły są ostatnim stadium ewolucji gwiazd i nie mogą być bardziej masywne niż 1,4 masy Słońca. Co w takim razie dzieje się z gwiazdami pięcio-, dziesięcio- i dwudziestokrotnie bardziej masywnymi? Czy jest możliwe, że pozbywają się one w jakiś sposób niemal całej swej masy, aby osiągnąć w końcu stadium białego karła? Jeśli tak, to czy może się to odbywać w długim czasie w sposób spokojny, czy też należy spodziewać się eksplozji? Wynik Chandrasekhara miał przełomowe znaczenie, bo wskazywał, że grawitacja może stać się siłą, która dosłownie kruszy materię. O jego wadze świadczy fakt, iż pół wieku później za tę pracę indyjski uczony otrzymał Nagrodę Nobla. Spędził długie i twórcze życie naukowe, stając się jednym z najbardziej znanych astrofizyków dwudziestego wieku, a jednak właśnie to młodzieńcze osiągnięcie wydawało się godne uhonorowania najważniejszą nagrodą.

W Londynie pierwszą książką, którą kupił Chandrasekhar, były Principles of Quantum Mechanics, fundamentalne, pomnikowe dzieło dwudziestoośmioletniego Paula Diraca, który zdążył już stać się klasykiem tej młodej dziedziny. W istocie były to lata zupełnie wyjątkowe w dziejach fizyki: niemal każda nowa praca miała szanse przejść do historii. Odkrywano bowiem kolejne zastosowania nowego formalizmu: w fizyce, w chemii, w astrofizyce. Zasady wprowadzone dla wyjaśnienia zjawisk atomowych okazały się w zasadniczym zrębie słuszne także w fizyce jąder atomowych, cząstek elementarnych, pozwalały też zrozumieć, jak przebiegają zjawiska we wszechświecie: od źródeł energii gwiazd, przez ich budowę oraz rodzaje wysyłanego promieniowania. Był to okres pionierski, gdy wyznaczano dopiero granice nowego terytorium i wciąż przesuwały się one dalej. Coś takiego zdarza się niezwykle rzadko, a w życiu uczonego najwyżej raz. Chandrasekhar znalazł się też w znakomitym miejscu: Trinity College w Cambridge, gdzie pracowali Fowler i jego niedawny doktorant Dirac, a także Arthur Stanley Eddington, astrofizyk, autor książki The Internal Constitution of the Stars, którą starannie przestudiował i z której korzystał podczas pracy na statku.

Na czym polegał problem białych karłów? W dostępnych nam eksperymentalnie warunkach materii nie można zbyt mocno ścisnąć. Atomy zachowują się bowiem jak sztywne kulki i nawet pod wielkim ciśnieniem gęstość ciał stałych niemal się nie zmniejsza się, ledwie przekraczając – w przypadku najcięższych metali – dwudziestokrotność gęstości wody. Większą gęstość – ponad sto gęstości wody – osiąga materia blisko centrum Słońca. Składa się ona głównie z produktów jonizacji wodoru: protonów i elektronów o bardzo wysokiej temperaturze. Mimo tak wielkich gęstości plazmę tę wciąż można traktować jak gaz doskonały. Przeskok do gęstości milion razy większych od gęstości wody nie wydawał się fizycznie możliwy bez temperatur sięgających miliony stopni, powierzchnia białego karła świeciła w zakresie widzialnym jak gwiazda, musiała więc mieć temperaturę liczoną w tysiącach stopni.

Kwantowe wyjaśnienie zaproponował Ralph Fowler, pod którego patronatem, lecz zupełnie samodzielnie, pracował Paul Dirac. Elektrony są, jak dziś mówimy, fermionami, tzn. podlegają szczególnemu ograniczeniu: w jednym stanie kwantowym może znajdować się jeden elektron (a jeśli ignorujemy stany spinowe, to dwa różniące się rzutem spinu). Właśnie Paul Dirac obok Enrico Fermiego pierwszy zaproponował kwantowomechaniczny opis takich cząstek (nazwa fermiony, a nie np. dirakiony, nie ma głębszego uzasadnienia historycznego, a prawdopodobnie jedynie fonetyczne). Samą zasadę jeden stan – jeden elektron zaproponował zresztą nieco wcześniej Wolfgang Pauli, jeszcze jeden z dwudziestoparolatków wywracających wtedy fizykę do góry nogami. Zasada ta wyjaśnia sposób zapełniania się powłok i podpowłok w atomach. Fowler wyobraził sobie, że biały karzeł cały jest jedną wielką cząsteczką, w której elektrony tworzą coś w rodzaju gazu. Było to pierwsze zastosowanie tej idei, nieco później Arnold Sommerfeld zastosował ją do elektronów w metalach.

W atomie stan określają liczby kwantowe. W przypadku elektronów zamkniętych w gwieździe niczym w pudle skwantowane są ich wartości pędu. Dozwolone wartości tworzą sieć punktów kratowych w przestrzeni pędu (bez początku, ponieważ pęd całkowity równy zeru jest zabroniony przez zasadę nieoznaczoności). Rysunek przedstawia takie  pudło w 2D. Elektrony będą stopniowo zapełniać dozwolone stany aż do pewnej maksymalnej wartości pędu p_F, zwanej pędem Fermiego.

Jest to tzw. zdegenerowany gaz elektronowy. W pierwszym przybliżeniu można ograniczyć się do temperatury zerowej, ponieważ energia elektronów w tej sytuacji wynika nie z wysokiej temperatury, ale stąd, że wszystkie niższe stany energetyczne są zajęte. Objętość komórki w przestrzeni pędów przypadająca na dwa elektrony o różnym spinie równa jest

\Delta p_x\Delta p_y\Delta p_z=\dfrac{h^3}{V},

gdzie h jest stałą Plancka, a V objętością gwiazdy/pudła z elektronami. Widzimy, że gdy objętość pudła maleje, komórki w przestrzeni pędu rosną i przy tej samej liczbie elektronów pęd Fermiego wzrośnie. Oznacza to, że wraz z gęstością gwiazdy rośnie energia kinetyczna elektronów (równa \frac{mv^2}{2}=\frac{p^2}{2m}). Gwiazda utrzymywana jest siłami grawitacyjnymi. Energia grawitacyjna kuli o masie M i promieniu R równa jest

E_p=-\alpha \dfrac{GM^2}{R},

gdzie \alpha jest współczynnikiem zależnym od rozkładu gęstości i równym \frac{3}{5} dla kuli jednorodnej. Grawitacja jest siłą przyciągającą, więc energia rośnie tu, gdy zwiększa się promień: gdyby działała jedynie grawitacja, materia skurczyłaby się do punktu. Można znaleźć punkt równowagi, gdy suma energii kinetycznej elektronów oraz energii potencjalnej grawitacji jest najmniejsza. Promień gwiazdy jest wówczas równy

R\approx 1,15 a_B \lambda \dfrac{1}{N_n^{1/3}},

gdzie a_B=0,5\cdot 10^{-10} m jest promieniem Bohra, \lambda=1,25\cdot 10^{36} to stosunek sił elektrostatycznych do sił grawitacyjnych między protonami, a N_n jest łączną liczbą nukleonów w gwieździe. Widzimy, że im większa gwiazda, tym mniejszy promień, a więc gęstość gwiazdy rośnie jak kwadrat masy, co jest zachowaniem dość osobliwym. Promień obliczony z powyższego wzoru okazuje się dla gwiazdy o masie Słońca tego samego rzędu co promień Ziemi: a więc ogromna masa Słońca skupiłaby się w objętości zbliżonej do Ziemi. Znaczy to, że materia gwiazdy osiąga ogromne gęstości. Rzeczywiste gęstości są jeszcze większe, niż sądzono w latach trzydziestych i przekraczają milion gęstości wody. Gaz elektronowy pozwalał też objaśnić, czemu biały karzeł nie skurczy się już więcej: w istocie temperatura ma niewielki wpływ na konfigurację elektronów i struktura taka jest stabilna nawet w zerze absolutnym.

Praca Fowlera uchodzi za najwybitniejszą pozycję w jego dorobku: była w zasadzie rzuceniem idei, ale idei znakomitej, podjętej potem nie tylko w astrofizyce, ale i w fizyce ciała stałego. Jedna tak płodna idea i jeden doktorant tej klasy co Dirac, to zdecydowanie wystarczy na spełnioną karierę naukową.

Obliczenia takie, jak zarysowane powyżej, wykonał Edmund Stoner w 1929 roku. Interesowało go pytanie, czy istnieje maksymalna gęstość materii? Stoner także należał do ludzi Cambridge, jednak jego doktorat był eksperymentalny i nie odebrał on matematycznego wykształcenia, które zawsze było mocną stroną tamtejszych absolwentów. Mimo to zajął się teorią i to z powodzeniem. Jego praca The distribution of electrons among atomic energy levels z 1924 roku zainspirowała Wolfganga Pauliego do sformułowania słynnej zasady wykluczania. W reakcji na artykuł Stonera mało znany fizyk Wilhelm Anderson, pracujący w Tartu w Estonii, zwrócił uwagę, że przy dużych gęstościach, duży będzie pęd Fermiego i nie można używać newtonowskiego wyrażenia na energię kinetyczną (\frac{1}{2}mv^2), lecz należy zastosować wyrażenie relatywistyczne

E=\sqrt{(pc)^2+(mc^2)^2}\approx pc.

W przypadku skrajnie relatywistycznym obowiązuje przybliżenie zapisane powyżej. Okazuje się, że teraz nie dla każdej masy istnieje rozwiązanie i biały karzeł musi mieć masę nieprzekraczającą pewnej wartości granicznej. Anderson wyznaczył tę granicę, choć jego praca nie była całkowicie poprawna. Stoner w następnym artykule uwzględnił relatywistyczne wyrażenie na energię elektronów i prawidłowo wyznaczył maksymalną liczbę nukleonów, a więc i masę białego karła:

N_n =0,77 \left(\dfrac{c\hbar}{Gm_n^2}\right)^{\frac{3}{2}} \sim \left(\dfrac{m_{P}}{m_n}\right)^3.

Po prawej stronie wyraziliśmy tę wielkość przez masę Plancka m_P: jest to kombinacja trzech fundamentalnych stałych fizycznych – stałej Plancka, prędkości światła i stałej grawitacyjnej. Maksymalna masa zwana jest granicą Chandrasekhara i po uwzględnieniu współczynników liczbowych równa jest 1,4 masy Słońca. Przyjmujemy, że na każdy elektron przypadają dwa nukleony.

Zależność promienia białego karła od masy (https://en.wikipedia.org/wiki/Chandrasekhar_limit)

Naszkicowane przez nas podejście zakłada minimalizację energii w jednorodnym gazie elektronowym. Tak właśnie obliczył to Stoner. Subrahmanyan Chandrasekhar wybrał podejście bardziej szczegółowe, w którym analizuje się warunki równowagi w gwieździe. Jego pierwsza praca, pisana podczas podróży do Anglii, była tylko krótkim zarysem, szczegółowe rozwinięcie podał w następnych latach. Prowadzi ono do podobnych wniosków, nieco różniących się liczbowo. Czemu więc granica ta związana została w historii jedynie z nazwiskiem Chandrasekhara? Jak się zdaje, Edmund Stoner nie walczył zbytnio o priorytet. Być może tematyka astrofizyczna nie była mu tak bliska jak Chandrasekharowi, stopniowo zajął się bowiem fizyką ciała stałego.

Także Lew Landau otrzymał graniczną wartość masy w bardzo eleganckiej krótkiej pracy z 1931 roku. Jednak graniczna wartość masy wydawała mu się wnioskiem absurdalnym. Pisał: „Ponieważ w rzeczywistości masy takie spokojnie sobie istnieją jako gwiazdy, nie wykazując żadnych takich absurdalnych tendencji, musimy wywnioskować, że wszystkie gwiazdy o masie przekraczającej 1,5 masy Słońca zawierają z pewnością obszary, w których prawa mechaniki kwantowej (a więc także statystyki kwantowej) są naruszone” (Neutron Stars, Black Holes and Binary X-Ray Sources, ed. H. Gursky, R. Ruffini, D. Reidel 1975, s. 272). Musimy zdawać sobie sprawę, że zarówno teoria względności, jak i mechanika kwantowa były względnie nowymi dziedzinami i nie było jasne, czy nie pojawią się nowe idee, które zmienią zasadniczo punkt widzenia. Dopiero z perspektywy dziesięcioleci widać, że zarówno teoria względności, jak i fizyka kwantowa zostały w fizyce na dobre i są niezmiernie odporne na wszelkie „poprawianie” – to dlatego trudno jest w fizyce o nowe pomysły, muszą one bowiem stanowić uogólnienie tego, co już znamy, a co zostało bardzo dokładnie przetestowane teoretycznie i przede wszystkim eksperymentalnie.

Chandrasekhar bardzo zaciekle bronił wniosku o maksymalnej masie białego karła. Arthur Eddington – podobnie jak Landau – uważał go za absurd. W ciągu kilku lat spór między Eddingtonem, uznanym autorytetem, a młodym uczonym z Indii stał się na tyle gorący, że Chandrasekhar nie mógł pozostać w Trinity College i wyjechał do Stanów Zjednoczonych.

Rację miał Chandrasekhar (i Stoner). Gwiazdy o dużych masach nie mogą stać się białymi karłami. Mogą zostać gwiazdami neutronowymi, w których materia ma gęstość zbliżoną do materii jądrowej. Znów jednak pojawia się graniczna wartość masy, powyżej której niemożliwe jest stabilne istnienie gwiazdy neutronowej. Przy dużych masach grawitacja zwycięża i jedyną możliwością staje się utworzenie czarnej dziury. Granica Chandrasekhara była pierwszą wskazówką, że struktura materii nie jest odporna na grawitacyjne zapadanie się. Być może zaakceptowanie tej sytuacji było trudne także dlatego, że intuicyjnie chcemy wierzyć w stabilny świat, dający nam metafizyczne i psychologiczne oparcie. Dlatego kłopoty miał Galileusz, z tego samego powodu zwalczano teorię ewolucji, a także niechętnie uznano teorię Wielkiego Wybuchu. Uświadomienie sobie, że zamieszkujemy narażony na rozmaite kataklizmy kawałek skalnej skorupy pływający w ciekłym podłożu i krążący po niezbyt stabilnej orbicie w zmieniającym się ciągle i katastroficznym wszechświecie, nie poprawia, by tak rzec, filozoficznego samopoczucia.