Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Постепенно учёным удалось не только «увидеть» космическую частицу, не только измерить её массу, скорость и энергию. Настал день, когда учёные увидели, как, разбив встречный атом, космическая частица родила позитрон — ещё никем не виденную частицу.

Было ли это очередным открытием? Или очень интересным открытием? Или даже чрезвычайно важным открытием? Нет, это был смерч в без того бурном океане науки. С крошечным позитроном в мир привычных образов ворвался мир античастиц. Загадочный антимир.

Молодой английский физик Поль Дирак, к имени которого теперь недаром прибавляют «гениальный», весьма интересовался электроном. Он не рассматривал его в камере Вильсона, не пытался подстеречь его встречу с фотонами гамма-лучей. И не потому, что камеры Вильсона тогда не было. И не потому, что он не был знаком с работами Скобельцына. Нет, они жили и работали в одно время. Просто Дирак был «чистым» теоретиком. И все опыты с электроном он проводил в уме или на бумаге.

В то время учёные очень мало знали об отношениях между электроном и электромагнитным полем и совсем ничего не знали о его внутреннем строении. Они не могли и до сих пор не могут точно сказать, что представляет собой электрон. То ли это частица, то ли более сложный объект, обладающий определёнными размерами. Об электроне учёные разговаривали только в вопросительной форме. Например, почему электрон не разрывается из-за отталкивания отдельных частей его заряда? Ведь одноимённо заряженные тела должны отталкиваться — этот закон классической физики ещё не терпел поражения. Какие же неведомые силы не дают электрону распасться?

Непонятными для физиков оставались законы движения электрона как в атоме вещества, так и в свободном пространстве.

Ещё в течение второго десятилетия XX века всё казалось ясным. Строение атома легко воспринималось как подобие Солнечной системы: вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, по эллиптическим орбитам движутся электроны. Но не успела начаться вторая четверть века, как от этой ясности не осталось и следа. Орбиты, придуманные Бором, оказались фикциями, и, хотя эти слова ещё применялись, физики знали, что это только жаргон, условное наименование, означающее часть окрестности ядра, в которой находится электрон.

Представим себе, что мы фотографируем быстро движущийся электрон. Даже самый быстрый затвор не даст моментальной фотографии. Если такой опыт можно было бы выполнить, на пластинке оказалось бы туманное облако, окружающее ядро. Электрон побывал в каждой точке этого облака, но в какой момент и как долго он был в данной точке, с какой скоростью он летел, определить нельзя. Электрон ускользал из самых хитроумных математических построений, и невозможно было точно определить, где и с какой скоростью он движется в данный момент, даже если он свободно летит в пустом пространстве.

Это была какая-то чертовщина. Если бы речь шла о движении обычного камня, можно было бы написать целую поэму в формулах. А электрон не уживался ни в одном уравнении. Он всё время вступал в противоречие с окружающей средой.

Дирак упорно пытался найти истинный закон поведения электрона, написать хотя бы уравнение его движения в свободном пространстве.

И такое уравнение он наконец написал, объединив при этом принципы квантовой механики с идеями теории относительности. Это было в 1928 году. Но, как ни странно, на первых порах ни он сам, ни другие учёные не обрадовались этой находке.

Уравнение Дирака повело себя как непокорный джинн, неосторожно выпущенный из бутылки. То, что прочли учёные в этом уравнении, показалось им, мягко выражаясь, недоразумением. Более крепким словом они не хотели обидеть автора. Наравне с реально существующим отрицательно заряженным электроном в нём занял равноправное место положительный электрон! «Не парадокс ли это?»— думал невольный виновник этого странного открытия. Дирак вовсе не искал эту частицу. Он даже не подозревал о её существовании.

Таких частиц в природе вообще никто не встречал. Если обычный электрон отталкивался от отрицательно заряженного тела, новый, дираковский, электрон должен им притягиваться. Если в магнитном поле «старый» электрон побежал бы в одну сторону, «новый» свернул бы в другую. Из уравнения смотрел невиданный удивительный положительный электрон.

Когда учёный создавал формулу ещё не познанного явления, у него в мыслях даже намёка не было на столь странную частицу. Неудивительно, что прошло несколько лет, а учёный всё ещё ничего не мог объяснить коллегам. Как сказал один физик: «В течение нескольких лет существовал заговор молчания относительно этих неприятных решений релятивистского уравнения Дирака». Первоначально Дирак и не думал о том, что уравнения описывают новую частицу. Слишком крепка была в то время всеобщая уверенность в том, что существуют только две элементарные частицы — электрон и протон. Ему казалось более лёгким представить себе, что весь мир полностью заполнен электронами, а «новые» частицы — это «дырки», незаполненные места в этом «электронном море». Такие «дырки» обладали бы всеми свойствами положительных электронов. Эта точка зрения господствовала несколько лет. Но Дирак и остальные физики не считали её окончательной.

Наконец Дирак решился. «Дырки» не нужны: в природе существует третья элементарная частица — положительный электрон.

Более того, учёный огорошил своих коллег предположением, что все частицы в природе существуют парами, что каждой заряженной частице соответствует своя античастица с такой же массой, но с зарядом противоположного знака. Дирак справедливо решил, что если существует пара для электрона — позитрон (так назвали антиэлектрон), то должна существовать и пара для протона. Если существуют атомы водорода, должны существовать и атомы антиводорода. То есть в природе наравне с веществом должно равноправно существовать и антивещество.

Так Дирак ввёл в науку важнейшую идею о существовании в природе новой симметрии — сопряжённости частиц и античастиц. Это явилось первым результатом объединения квантовой теории и теории относительности. Объединились уравнения квантовой теории и преобразования Лоренца. Выявилась возможность превращения кинетической энергии сталкивающихся частиц в массу покоя новых частиц и обратно. В нерелятивистской физике считалось само собой разумеющимся постоянство количества частиц. Оно казалось эквивалентом закону сохранения вещества. Первоначальная квантовая теория считала число частиц одним из квантовых чисел. В релятивистской квантовой физике число частиц перестало быть постоянной величиной, а значит, оно перестало быть квантовым числом.