История физики: квантовая теория
Из теории Дирака следовало существование позитрона, который действительно был обнаружен в 1932-33 г.г. при ядерных распадах под действием космических лучей (открыты в 1911-13 г.г. австрийским физиком Виктором Францем Гессом (1883-1964)) американским физиком Карлом Дэвидом Андерсоном (р.1905) (Нобелевская премия по физике, 1936), а также английским физиком Патриком Мейнардом Стюардом Блэккетом (1897-1974) и итальянским физиком Джузеппе Оккиалини (р.1907).
Развивались и статистические методы описания поведения квантовых объектов. В 1924-25 г.г. индийский физик Шатвендранат Бозе (1894-1974) и Эйнштейн создали новую квантовую статистику для фотонного газа, получив распределение Планка, а в 1926 г. почти одновременно Ферми и Дирак вывели с учетом запрета Паули вывели свою статистику для электронов.
Ферми Энрико (29.09.1901-28.11.1954) - итальянский физик, член Национальной академии деи Линчеи (1935), многих академий наук и научных обществ, иностранный член АН СССР (1929). В США учреждена премия его имени, в его честь назван 100 химический элемент - фермий, его имя присвоено Чикагскому институту ядерных исследований. Родился в Риме в семье железнодорожного служащего. Окончил Пизанский университет (1922). В 1923-24 работал у М.Борна в Геттингенском и у П.Эренфеста в Лейденском университетах, с 1926 - профессор Римского университета. В 1938 эмигрировал в США: 1939-42 - профессор Колумбийского, 1942- 45 - Чикагского университетов (1944-45 - заведующий отделом Лос-Аламосской лаборатории), с 1946 - профессор Института ядерных исследований (Чикаго).
Работы в области атомной и ядерной физики, статистической механики, физики космических лучей, физики высоких энергий, астрофизики, технической физики. В 1926 разработал независимо от П.Дирака статистику частиц с полуцелым спином, в 1928 дал схему описания и расчета основного состояния многоэлектронных атомов (модель Томаса-Ферми). В 1929-30 разработал канонические правила квантования поля, в 1933-34 создал количественную теорию бета-распада, положив начало теории слабых взаимодействий. В 1934 открыл искусственную радиоактивность, обусловленную нейтронами, обнаружил и дал теорию явления замедления нейтронов (Нобелевская премия, 1938), высказал идею получения новых элементов при облучении урана нейтронами, в 1936 открыл селективное поглощение нейтронов. Все это положило начало нейтронной физике.
В 1939 независимо от Ф.Жолио-Кюри, Л.Сцилларда и других доказал, что при делении урана под действием медленных нейтронов излучаются 2-3 новых нейтрона и возможно осуществление цепной ядерной реакции. Построил первый ядерный реактор и 2 декабря 1942 впервые получил самоподдерживающуюся цепную реакцию.
В 1949 разработал теорию происхождения космических лучей, в 1950 - статистическую теорию множественного образования частиц (мезонов), в 1952 открыл адронный резонанс - изотопический квадруплет. Вместе с Ч.Янгом в 1949 предложил первую составную модель элементарных частиц (модель Ферми-Янга).
Паули Вольфганг (25.04.1900-14.12.1958) - австрийско-швейцарский физик, член Швейцарского физического и ряда других научных обществ, медали Франклина, Планка. Родился в Вене в семье профессора химии. Окончил Мюнхенский университет (степень доктора - 1921). В 1921-22 - ассистент М.Борна в Геттингенском университете, в 1922-23 - Н.Бора в Институте теоретической физики в Копенгагене, в 1923-28 - доцент Гамбургского университета, с 1928 - профессор Политехникума в Цюрихе (кроме 1935-36, 1940-45, 1949-50, 1954, когда работал в Принстонском институте перспективных исследований).
Работы во многих областях теоретической физики, в развитии которых он принимал непосредственное участие: квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая теория поля, теория относительности, теория твердого тела, ядерная физика, физика элементарных частиц. В 1924 выдвинул гипотезу ядерного спина для объяснения сверхтонкого расщепления спектральных линий, предложив существование спинового и магнитного моментов ядер. В 1924-25 сформулировал важнейший принцип о невозможности нахождения двух тождественных частиц с полуцелым спином в одном состоянии - запрет Паули (Нобелевская премия, 1945). Объяснил парамагнетизм электронного газа в металле (1927), структуру электронных оболочек атомов. В 1927 ввел в квантовую механику для описания спина электрона матрицы (спиновые матрицы Паули), создал теорию спина электрона. Совместно с В.Гейзенбергом в 1929 заложил основы систематической теории квантования поля. Объяснил (1928) сверхтонкую структуру атомных спектров.
Высказал в 1931 гипотезу о существовании нейтрино и описал в 1933 его основные свойства. Автор фундаментальных исследований по теории элементарных частиц и квантовых полей, мезонной теории ядерных сил. В 1940 доказал теорему о связи статистики и спина, в 1941 показал связь закона сохранения заряда с инвариантностью относительно калибровочных преобразований. В 1955 в окончательном виде сформулировал СРТ-теорему, отражающую симметрию элементарных частиц.
Таким образом, в результате развития квантовой теории появились две статистики: Бозе-Эйнштейна для бозонов (частиц с целым спином) и Ферми-Дирака для фермионов (с полуцелым спином).
Для разрешения дилеммы волна-частица в 1927 г. Гейзенбергом был сформулирован принцип неопределенности, в соответствии с которым нельзя одновременно точно определить координату и импульс (или энергию состояния и время пребывания в нем частицы). Здесь встает принципиальный вопрос о возмущении, которое вносит прибор и метод измерения в определение физической характеристики объекта. Это вызвало большие философские споры о реальности физического мира и физических представлений о реальном мире. Частично возникшие противоречия снимаются принципом дополнительности Бора, по которому любой частице присущи и волновые, и корпускулярные свойства, они друг друга взаимоисключают и взаимодополняют. Эти дискуссии о дуализме волна-частица, детерминизм-неопределенность продолжаются в современной физике.
В начале 50-х годов 20 века произошло крупное открытие в оптике: советские физики Николай Геннадиевич Басов (1922-2001) и Александр Михайлович Прохоров (1916-2002), а также американский физик Чарльз Хард Таунс (р.1915) обнаружили стимулированное излучение в молекулярных системах (Нобелевская премия по физике, 1964), предсказанное в 1917 г. Эйнштейном при описании взаимодействия электромагнитного излучения с молекулами. Это послужило основой создания оптических квантовых генераторов, а в начале 60-х годов были сконструированы первые лазеры, которые во многом определили развитие современной оптики. Лазеры широко применяются в спектроскопии, голографии, оптоэлектронике, информационных технологиях, медицине и других областях науки и техники.