Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Идея замены одного варианта положительной энергии на другой – это то, что подпитывает индустриальное общество. В том, чем индустриальное общество и люди, живущие в нем, занимаются каждый день, нет признаков отрицательной энергии. Так что же означают решения, связанные с отрицательной энергией, для электрона?

Если электроны могут иметь отрицательную энергию, можно ожидать, что электроны в материи могут спонтанно снижать свою энергию, переходя в одно из состояний с отрицательной энергией. Поскольку это делает материю нестабильной, тот факт, что мы вообще находимся здесь, как кажется, подразумевает, что теория электрона Дирака неправильная, не может быть никакой отрицательной энергии. Но Дирак поразительно использовал тот факт, что материя стабильна, для интерпретации состояний с отрицательной энергией! Чтобы это понять, нужно оценить поразительную регулярность атомных элементов, которую обнаружил русский химик Дмитрий Менделеев и отразил в своем периодическом законе химических элементов.

У некоторых элементов имеются очень похожие свойства, эти сходства повторяются, или возвращаются, «периодически», если составить список элементов в порядке увеличения атомной массы. Примеры свойств, которые повторяются периодически, – это химическая инертность газов гелия, неона и аргона; у металлов это сродство к воде, например у натрия и магния; а в случае высокореактивных элементов фтора, хлора и йода сродство к воде дает кислоты. Эти сходства известны уже на протяжении многих веков. Периодическая таблица элементов Менделеева раскрыла их периодичность, но объяснила их квантовая механика.

Электроны во всех атомах идентичны. Разница между одним вариантом атомного элемента и другим состоит в разном количестве электронов, которые вращаются вокруг центрального ядра (и, конечно, количестве протонов в этом ядре). Как мы видели, эти электроны не могут отправляться туда, куда им хочется, вместо этого законы квантовой механики ограничивают их, определяя несколько определенных путей, или «квантовые состояния». Модели доступных путей по мере добавления большего количества электронов и, соответственно, продвижения по таблице элементов, повторяются, причем цикл этот регулярный, и периодическая схожесть следующих элементов тоже повторяется. Квантовая теория объясняет это как следствие фундаментального правила, известного как принцип исключения. По сути, электроны напоминают кукушек, когда две в одном гнезде – это слишком много, одна получается лишней. А если выразиться сухим языком квантовой механики, то: никакие два электрона из одной и той же совокупности не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии.

Дирак понял, что это уравнение подразумевает: электроны могут иметь отрицательную энергию, и использовал этот принцип исключения как основу своей блестящей идеи. Он предположил: то, что мы называем вакуумом, не является пустым, а скорее напоминает бездонную яму, и в нее спускается лестница. Каждая ступенька этой лестницы соответствует возможному квантовому состоянию, месту, где находится электрон. Верх лестницы соответствует нулевой энергии, а все ступеньки ниже являются возможными состояниями электрона с отрицательной энергией. Дирак считал, что если все эти отрицательные уровни уже заполнены, то никакие электроны не могут упасть в щель с отрицательной энергией, и таким образом материя остается стабильной. То, что мы называем «вакуумом», напоминает глубокое спокойное море, которое никто не замечает, пока ничто не нарушает его покой. Заполненное море – это базовый уровень, относительно которого определяются все энергии. «Уровень моря» Дирака определяет нулевую энергию.

Если одного электрона в этом море не хватает, то останется «дырка», в интерпретации Дирака. Отсутствие отрицательно заряженного электрона, энергия которого отрицательна по отношению к уровню моря, проявится как положительно заряженная частица с положительной энергией, а именно со всеми свойствами того, что позднее назвали позитроном. Это была странная идея – квантовая механика и до сих пор, через восемьдесят лет после своего появления, кажется странной, – а Дирак сделал свое предположение, когда квантовая механика только зарождалась, поэтому его можно считать гениальным.

Как можно сдвинуть или переместить электрон с отрицательной энергией, чтобы можно было увидеть «дырку» в море вакуума? Ответ состоит в подаче энергии, например, гамма-луча с большим количеством энергии. Если в гамма-луче достаточно энергии, то он может выбить электрон из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией, результатом будет производство гамма-лучом и электрона с положительной энергией, и «дырки» в том, что было вакуумом. «Дырка» – это отсутствие и отрицательной энергии, что проявится как состояние с положительной энергией, и отрицательный заряд, который проявляется как положительный. Так что конечный результат – это превращение энергии гамма-луча в обычный отрицательно заряженный электрон, который сопровождает положительно заряженный электрон, и оба – с положительной энергией.

Что такое этот положительный электрон? Предположение Дирака об антиэлектроне многим в то время показалось просто научной фантастикой. К тому времени единственными известными частицами были электрон и протон, на основании которых и объяснялась вся материя. Более того, считалось, что они неизменны. Тем не менее теория Дирака подразумевала, что эти фундаментальные частицы материи можно создавать или уничтожать по желанию. Не было необходимости в других частицах и не было никакого желания их видеть, а потом еще и как-то объяснять, если не считать общепризнанного, но в то время еще не обнаруженного нейтрона, который добавляет массу атомному ядру и помогает его стабилизировать. До тех дней, когда странные частицы с фантастическими названиями будут появляться одна за другой в результате открытий в космических лучах и ускорителях частиц, еще оставалось много лет. В 1928 году картина с частицами была простой: материя состоит из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. В этом относительно уютном мирке для антиэлектрона места не было.

После того как Дирак опубликовал работу «Теория электронов и протонов», которую мы уже упоминали, утвердилось и широко распространилось мнение, что Дирак серьезно рассматривает протон как кандидата на роль положительно заряженной частицы, которая появилась из его уравнения как кролик из шляпы фокусника в цирке. Современным физикам, которые знают о глубочайшей симметрии между материей и антиматерией, мысль о том, что протон может быть идентифицирован как антиэлектрон, при разнице в массах почти в 2000 раз, кажется абсурдной.