Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Ясно, что самый высокий уровень с отрицательной энергией будет всегда ниже самого низкого уровня с положительной энергией, вследствие чего между этими уровнями становится возможным переход с испусканием фотона. Это означает, что любой электрон сможет без ограничений спускаться вниз по лестнице энергетических уровней, испуская фотон на каждой ступеньке. Иными словами, электроны в атоме станут нестабильными, и атомы не смогут существовать.

Некоторые учёные пытались преодолеть трудность с отрицательной энергией, но удалось это тому же Дираку. В 1929 году он опубликовал статью, в которой постулировал существование «моря» состояний с отрицательной энергией. Таким образом, для других электронов места среди них уже не было. Коллеги отнеслись к этой идее весьма скептически: никто никогда не наблюдал такого «моря», а ведь оно должно было бы окружать нас со всех сторон. Возражения скептиков не подействовали на Дирака, но сама идея не давала ему покоя. Переходы из состояния с положительной в состояние с отрицательной энергией запрещались, но оставалась возможность обратного перехода из «моря» отрицательных энергий к положительным. Как это может выглядеть?

Схема энергетических уровней. Уровни, расположенные выше горизонтальной линии, имеют положительную энергию, а ниже – отрицательную. Чёрные кружки соответствуют электронам. Справа показано образование пары электрон-позитрон

Очевидно, такой переход может происходить только тогда, когда принадлежащему к «морю» электрону сообщается достаточная положительная энергия, причём расчёты показали, что эта энергия не так уж велика, т.е. такое явление в принципе наблюдаемо. Выглядеть оно будет так, как если бы электрон, перешедший в состояние с положительной энергией, оставил после себя «дырку», и эту «дырку» можно наблюдать. Она будет в точности такой же, как электрон, за исключением заряда – в данном случае не отрицательного, а положительного. Единственной известной в то время положительно заряженной частицей был протон, и Дирак полагал, что «дырка» и есть протон. Однако Оппенгеймер указал, что протон на эту роль не годится, так как он гораздо массивнее, чем требуется для того, чтобы атом оставался стабильным.

А как выглядит процесс образования «дырки»? Так, словно в какой-то точке пространства внезапно появляются обычный и положительно заряженный электроны, – сейчас такой процесс называют рождением пары. Обе частицы появляются одновременно, и их можно наблюдать в течение непродолжительного времени.

Несколько лет спустя такой процесс действительно наблюдался Карлом Андерсоном из Калифорнийского технологического института в ходе изучения космических лучей с помощью камеры Вильсона. В этой камере сразу же после прохождения частицы образуется след из мельчайших капелек тумана; пролетающая сквозь камеру частица вызывает образование ионов (атомов, лишённых части электронов), на которых конденсируются капельки воды, что делает след частицы видимым. Если камеру Вильсона поместить в магнитное поле, заряженная частица будет двигаться по кривой (направление искривления зависит от заряда частицы). Андерсон обнаружил частицу, которая, имея ту же массу, что и электрон, отклонялась в другую сторону, как если бы она была заряжена положительно. Он назвал её позитроном.

Если электрону соответствуют частица с противоположным зарядом – его антипод, естественно, возникает вопрос, а как обстоит дело с другими частицами? Оказалось, что античастицы есть у всех частиц. Правда, обнаружения антипротона пришлось ждать целых 25 лет, так как для его образования требуется гораздо большая энергия, чем для образования позитрона.

Уравнение Дирака дало нам очень много – оно изменило наши представления о Вселенной. Когда-то считалось, что вакуум заполнен эфиром – загадочной субстанцией, необходимой для распространения света. Но после появления специальной теории относительности Эйнштейна оказалось, что эфир не нужен и вакуум опустел. Согласно же теории Дирака, вакуум вновь получил наполнение в том смысле, что из него, при наличии достаточной энергии, могут рождаться пары частиц самых разных типов. Всё пространство оказывается заполненным частицами, а значит, его структура гораздо сложнее, чем представлялось раньше.

Дирак не меньше других был поражён предсказательной силой своего уравнения. Однажды он заметил: «Уравнение гораздо умнее автора». Сейчас уравнение Дирака лежит в основе теории взаимодействия электронов и протонов, осуществляемого при помощи фотонов. Эта теория носит название квантовой электродинамики. Она близка к совершенству и позволяет выполнять расчёты с очень высокой степенью точности.

Несмотря на успех теории Дирака, многих учёных по-прежнему беспокоит бесконечное «море» электронов с отрицательной энергией. Дирак же считал это совершенно естественным и не видел причин для беспокойства. Нужно подчеркнуть, что подход Дирака – это лишь одна из возможных интерпретаций наблюдений. В лаборатории никогда не фиксируется отсутствие электрона с отрицательной энергией; всё, что мы видим, – это позитрон.

Фейнмановская диаграмма взаимодействия двух электронов. Между ними происходит обмен фотоном

Позже появились другие бесконечности, по сравнению с которыми «море» электронов с отрицательной энергией – сущие пустяки. Чтобы показать, откуда берутся бесконечности, посмотрим, как работает теория поля (здесь мы ограничимся только квантовой электродинамикой, теорией электромагнитного поля). Она основана на так называемой теории возмущений. В теории возмущений рассматриваются взаимодействия разных порядков – первого, второго и т.д. Наибольший вклад вносят вычисления взаимодействий первого порядка, затем учитывается вклад второго и последующего порядков; по крайней мере, так предполагалось. Но когда были проделаны первые вычисления, оказалось, что их результаты хорошо совпадают с экспериментом, и нет нужды использовать более высокие порядки, так как это усложняет расчёты. Тем не менее Оппенгеймер и Уоллер однажды провели вычисления в более высоких порядках и обнаружили нечто странное. В итоге, вместо небольшой поправки к результату вычислений в первом порядке они получили бесконечность. Уоллер рассказал об этом одному из ведущих физиков того времени – Паули, но тот не поверил услышанному. Он считал, что такого просто не может быть и где-то допущена ошибка.