Теоретическая физика 20 века - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
особенностей теорий и была основана только на простых соображениях
инвариантности, так что нам все-таки лучше сказать, что соображения
инвариантности оказались ближе к истине, чем экспериментальные данные.
Теория относительности
221
Теория относительности, особенно в виде релятивистской квантовой теории,
в научной деятельности Паули играла выдающуюся роль. Его достижения в
этой области подробнее освещаются в других статьях данной книги, поэтому
я считаю своей задачей лишь в общих чертах обрисовать развитие
специфически релятивистских идей в тот период и подчеркнуть роль Паули в
этом развитии.
Так как частная и общая теория относительности значительно отличаются
друг от друга, то лучше всего рассматривать их по отдельности.
А. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
В период с 1905 по 1910 г. главная задача состояла в том, чтобы
распространить теорию относительности на различные области физики,
приспособляя уже существовавшие теории к релятивистским требованиям.
Теории для малых скоростей можно было считать известными, и хотя
релятивистское их обобщение требовало изобретательности и глубокого
анализа (как, например, при рассмотрении Планком термодинамики), тем не
менее после пионерских работ Эйнштейна и Минковского в идейных или
математических основах теории не происходило никаких радикальных
изменений.
Однако с развитием атомной физики и особенно квантовой теории роль теории
относительности стала более созидательной. Теперь задача уже не сводилась
к простому "переводу" ранее установленных теорий на релятивистский язык.
Во все возрастающей мере теории становились релятивистскими с самого
начала, и релятивистские соображения решали вопрос о выборе их основных
постулатов.
В то же время с коренным усовершенствованием экспериментальной техники
становились доступными частицы все более высоких энергий (в космических
лучах и в ускорителях); и если в первые годы нашего столетия требовались
величайшие усилия для того, чтобы только заметить какое-нибудь отклонение
от ньютоновской физики, то теперь явления в крайне релятивистской области
встречаются в повседневной практике физических лабораторий всего мира. С
другой стороны, даже малейшие эффекты наподобие сдвига Лэмба, могут
измеряться с поразительной точностью и использоваться для про-шерки
теоретических предсказаний.
222
В. Баргманн
Первой новой теорией, выросшей из теории относительности,, была волновая
теория вещества де Бройля. Без сомнения, ее можно было сформулировать и в
нерелятивистском виде, но остается фактом, что оригинальная работа де
Бройля по духу была целиком релятивистской, особенно при переходе от
соотношения Планка E=hv к соотношению де Бройля p = h!'k.
Следует признать большой удачей, что первые несколько лет (1925-1927 гг.)
квантовая и волновая механика - эти две отрасли, возникшие из теории де
Бройля,- развивались на нерелятивистской основе, хотя все исследователи
хорошо сознавали необходимость сделать теорию в конечном счете
релятивистски инвариантной. В самом деле, при этом предстояло преодолеть
достаточно много трудностей и без добавочной тяжести собственно
релятивистских проблем.
С появлением теории электрона Дирака теория относительности вступила в
свои права. Теория Дирака, безусловно, была получена не из установленной
нерелятивистской теории, а из основных квантовотеоретических и
релятивистских постулатов. Ключевой квантовый постулат заключался в том,
что волновое уравнение описывает отдельную частицу с положительно
определенной плотностью вероятности и что поэтому оно приводится к
каноническому виду
7? + "* = 0. (D)
Из лоренц-инвариантности затем следовало, что уравнение может содержать
только первые производные по координатам. Релятивистское соотношение
между энергией и импульсом единственным образом определило вид
гамильтониана Дирака (по крайней мере для свободных электронов), приводя
таким образом к четырем компонентам волновой функции (вместе с их
удивительными трансформационными свойствами) и к спину электрона.
Наконец, простейшее предположение о взаимодействии с электромагнитным
полем давало правильное значение магнитного момента электрона.
Пожалуй, можно не подчеркивать здесь быстрый ошеломляющий успех уравнения
Дирака для одной частицы во всех случаях, где применение его законно,
например при выводе спектра водорода или формулы Клейна - Нишина для
комптоновского рассеяния. Однако физиков больше всего беспокоило - и это
довольно понятно - непредвиденное появление состояний с
Теория относительности
22а
с отрицательной энергией, что на первый взгляд казалось наиболее
серьезным недостатком теории Дирака, но потом превратилось в самое
большое ее достижение. Экспериментальное открытие рождения и аннигиляции
пар доказало сразу:
1) эквивалентность массы и энергии в наиболее крайней форме, а именно
тот факт, что масса и энергия могут полностью (а не только частично)
превращаться друг в друга; 2) полную симметрию положительных и
