Во времена гитлеровского фашизма ученый неоднократно подвергался политическим нападкам. Так, летом 1937 года физик Штарк, задававший тон национал-социалистской политике в отношении науки, назвал в одной из своих статей Гейзенберга «Осецким от физики», «белым евреем», и потребовал соответствующих мер.
Гейзенберг никогда не был членом нацистской партии, однако он занимал высокие академические должности. С 1941 по 1945 год он был директором института физики кайзера Вильгельма и профессором Берлинского университета.
Сам ученый о своей работе во время Второй мировой войны говорил: «После открытия расщепления ядра Отто Ганом в 1938 году следствием войны оказалось то, что я вместе с моими сотрудниками должен был заниматься конструированием атомных реакторов. Несмотря на то что вначале я был далек от такой задачи, мой интерес в высшей степени возбудила открытая атомной физикой возможность получения огромных атомных источников энергии. Я считаю, что немецким физикам очень повезло в том, что ход войны и действия правительства исключали любую серьезную попытку изготовления атомного оружия и тем самым избавляли физиков от тяжелой ответственности за подобное деяние».
В 1945 году Гейзенберг вместе с другими немецкими физиками был перевезен в Англию и содержался там под арестом в течение нескольких месяцев. В 1946 году Гейзенберг вернулся в Германию. Он становится директором Физического института и профессором Геттингенского университета. С 1958 года ученый являлся директором Физического университета, а также профессором Мюнхенского университета.
Его последние работы были посвящены, прежде всего, изучению элементарных частиц. Во время празднования столетия со дня рождения Планка в апреле 1958 года Гейзенберг предложил вниманию научной общественности свою новую теорию элементарных частиц. Он выдвинул «мировую формулу», которая должна была включать в себя также и элементарные частицы гравитации. Наряду со скоростью света с и планковской константой h им была введена новая естественная константа — «наименьшая длина». Немало его работ посвящено философским проблемам физики, в частности, теории познания, где он стоял на позиции идеализма.
Ученый входил в группу ученых, подписавших весной 1957 года Геттингенское обращение, он поддерживал также и другие заявления, направленные на уменьшение напряженности и на сохранение мира. Он неоднократно подчеркивал высокую ответственность именно физиков-атомщиков в деле предотвращения мировой войны.
Умер Гейзенберг в своем доме в Мюнхене 1 февраля 1976 года от рака.
ПОЛЬ ДИРАК
(1902–1984)
Английский физик Поль Адриен Морис Дирак родился 8 августа 1902 года в Бристоле, в семье уроженца Швейцарии Чарлза Адриена Ладислава Дирака и англичанки Флоренс Ханны (Холтен) Дирак. В семье Дираков кроме Поля было еще двое детей — Реджинальд и Беатрис.
Отец преподавал в коммерческом училище Merchant Venturers (MV). Он определил в свое учебное заведение и сына. Ученый позднее так рассказывал об этом:
«MV была великолепной школой естественных наук и современных языков. В ней не было ни латинского, ни греческого, чему я был очень рад, ибо я совсем не воспринимал древние культуры. Я был очень счастлив, что могу посещать эту школу. В MV я учился с 1914 по 1918 год, как раз во время Первой мировой войны. Многие парни покинули школу ради служения нации. В результате старшие классы совсем опустели. Чтобы заполнить пробел, стали продвигать младших в той степени, в какой они могли справиться с более сложной работой. Мне это было очень выгодно: я быстро "проскочил" младшие классы и в очень раннем возрасте познакомился с основами математики, физики, химии на вполне высоком уровне. Математику я учил по книгам, которые, как правило, содержали больше, чем знал класс. Быстрое продвижение вперед способствовало дальнейшим моим успехам. Но это мешало моему участию в спортивных играх, происходивших по средам во второй половине дня. Я играл в футбол и крикет; остальные участники игр были старше и сильнее меня, и мне не сопутствовала удача… Однако в школе ценили мою преданность науке».
Затем Поль учился в коммерческом училище в Бристоле. Потом с 1918 по 1921 год он изучал электротехнику в Бристольском университете и окончил его со степенью бакалавра наук. После этого Поль прошел еще и двухлетний курс прикладной математики в том же университете.
Среди его учителей на математическом факультете в Бристоле был математик Петер Фрезер. Он привил Дираку понимание красоты математики и ее логической стройности, в частности, красоты геометрии и ее проективной реализации.
В 1923 году, получив небольшую стипендию, Дирак смог стать аспирантом в Кембридже. Через полгода он напечатал свои первые две работы по статистической механике.
Затем Дирак поступил в аспирантуру по математике колледжа Св. Иоанна в Кембридже и в 1926 году защитил докторскую диссертацию. В следующем году Дирак стал членом научного совета того же колледжа.
«Фаулер вовлек меня в совсем новое поле деятельности, познакомив с атомом Резерфорда, Бора и Зоммерфельда, — вспоминает Дирак. — Прежде я ничего не слышал о теории Бора. У меня как бы открылись глаза. Казалось совершенно непостижимым, что уравнения классической электродинамики можно применять к атому. Я всегда считал атомы некими совершенно гипотетическими объектами, а здесь, в Кембридже, физики работали с уравнениями, которые на самом деле описывали строение атома.
Я очень быстро попал в самый центр проблем, связанных с изучением атомов. Самой сложной была задача о том, почему электронные орбиты стабильны. Почему электроны попросту не падают на ядро, как это следует из классической механики?
Со всей настойчивостью я принялся размышлять над этими проблемами, занимаясь одновременно и другими вопросами математики».
Дирак начал изучать уравнения Гейзенберга и Шрёдингера, как только те были опубликованы в 1925 году, высказав при этом несколько полезных замечаний. Одним из недостатков квантовой механики было то, что она была разработана лишь применительно к частицам, обладающим малой скоростью (по сравнению со скоростью света), а это позволяло пренебречь эффектами, рассматриваемыми теорией относительности Эйнштейна. Эффекты теории относительности, такие как увеличение массы частицы с возрастанием скорости, становятся существенными, только когда скорости начинают приближаться к скорости света.
На Сольвеевском конгрессе в октябре 1927 года к Дираку подошел Бор. Вот как вспоминает об этом сам Дирак: «Бор подошел ко мне и спросил: "Над чем сейчас работаете?" Я ответил: "Пытаюсь получить релятивистскую теорию электрона". Бор тогда сказал: "Но ведь Клейн уже решил эту проблему». Я был несколько обескуражен. Я стал объяснять ему, что решение задачи Клейна, основанное на уравнении Клейна—Гордона, неудовлетворительно, так как его нельзя согласовать с моей общей физической интерпретацией квантовой механики. Однако я так и не смог объяснить что-либо Бору, так как наш разговор был прерван началом лекции и вопрос повис в воздухе».
Дирак был недоволен. Он стремился получить уравнения для одного электрона, а не для системы частиц с разными зарядами. Он добился своего, но решение его удивило: «Я обнаружил из этого уравнения, что электрон обладает спином, равным 1/2, и магнитным моментом и что значения спина и магнитного момента согласуются с экспериментальными. Полученный результат был совершенно неожиданным… Я считал, что простейшее решение получится для частицы без спина, а уже затем нужно будет ввести спин…»
В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон. Наблюдаемы только электроны с положительной энергией. «Электроны распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты».
«…Здесь скрывалась серьезная трудность, — пишет далее Дирак. — В то время были известны электроны, несущие отрицательный заряд, и протоны, несущие положительный заряд, и все были абсолютно уверены, что кроме электрона и протона других элементарных частиц в природе нет. Правда, Резерфорд иногда рассматривал возможность существования третьей частицы — нейтрона. Но это предположение гипотетического нейтрона не имело никаких оснований. Резерфорд просто говорил о том, как был бы полезен нейтрон для экспериментаторов в качестве идеального снаряда для стрельбы по атомным ядрам: полет нейтрона не возмущался бы внешними электронами. Но никто не верил в реальность нейтрона. Всем казалось очевидным, что поскольку есть два сорта электрических зарядов, должна быть и два сорта частиц для их переноса. Никто не шел дальше».
Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам».
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой. Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц.
«Согласно теории Дирака, — писал Ф. Жолио-Кюри, — положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях».
Существует и обратный процесс — «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны… Фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».
Выведенное английским ученым и опубликованное в 1928 году уравнение называется теперь уравнением Дирака. Оно позволило достичь согласия с экспериментальными данными. В частности, спин, бывший ранее гипотезой, подтверждался уравнением Дирака. Это было триумфом его теории. Кроме того, уравнение Дирака позволило предсказать магнитные свойства электрона (магнитный момент).