Кварки, протоны, Вселенная

В новом здании Московского университета на Ленинских горах есть комната, где часто собираются физики-теоретики. По традиции наиболее почетные гости пишут на стенах этой комнаты какую-нибудь мысль, которую каждый из них считает наиболее важной. Дирак написал: «Физический закон должен быть математически изящным».

Найденное им электронное уравнение и в самом деле было очень изящным. Из него можно было как частный случай вывести уже известные уравнения квантовой механики, получить законы Ньютона. И Дирак настойчиво старался понять физический смысл частиц с отрицательной энергией.

Наконец, решение было найдено. И очень неожиданное. Оказалось, что частицы с отрицательной энергией — это ... дырки в вакууме! Чтобы уяснить себе, в чем состояла эта идея Дирака, следует познакомиться с еще одним важным свойством электрона, открытым незадолго до этого швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули.

Анализируя движение электронов в атомах, Паули заметил, что никогда не бывает так, чтобы у нескольких электронов одновременно были бы совершенно одинаковые параметры. Всегда чем-нибудь да они отличались друг от друга — энергией, направлением движения или еще какой-либо характеризующей их величиной. Получалось, иначе говоря, что любое физическое состояние, возможное в природе, может быть занято только одним электроном. Это правило часто называют принципом Паули. Его корни лежат глубоко в волновых свойствах микрочастиц и даже глубже — в свойствах окружающего нас пространства. Многое здесь стало понятным совсем недавно — в связи с разработкой «супертеории», объединяющей гравитационные и другие типы взаимодействий. А полвека назад, когда Дирак решал свое уравнение, принцип Паули рассматривался просто как подсказанное экспериментом и не знающее исключений правило.

Так вот, основываясь на принципе Паули, Дирак предположил, что все состояния с отрицательной энергией уже заняты электронами — в каждом из них находится по одной частице. А так как наблюдать мы можем лишь изменения, то сама по себе вся эта система бесконечно большого числа частиц остается для нас незаметной. Дирак назвал ее морем отрицательных энергий. Она воспринимается нами как пустота, как вакуум и играет роль фона, на котором протекают наблюдаемые физические явления. Если, однако, из этого моря выбить электрон, то новое состояние — «море с дыркой» — будет обладать по сравнению первоначальным фоном положительной энергией и положительным электрическим зарядом (вспомним, что вычитание отрицательной величины эквивалентно прибавлению положительной. И дырка будет наблюдаема. Она может перемещаться в море, и это перемещение мы воспримем как движение обычной частицы с положительной энергией и положительным зарядом.

В целом процесс выбивания электрона из моря будет выглядеть для нас как рождение в пространстве пары частиц с разными зарядами. Для этого надо, конечно, затратить энергию, например энергию электромагнитного поля.

Для наглядности можно представить себе график: горизонтальная прямая, выше которой положительная

энергия, ниже — отрицательная. Чтобы поднять электрон снизу вверх, надо, как при подъеме ведра из колодца, потрудиться — затратить энергию.

Возможен и обратный процесс: электрон «проваливается» в дыру. Мы увидим, что произошла аннигиляция двух столкнувшихся частиц с противоположными зарядами, в результате чего выделилась энергия излучения — образовались фотоны.

Таким образом, хотя уравнение Дирака и предсказывает существование частиц с энергиями обоих знаков в эксперименте всегда будут наблюдаться частицы с положительной энергией, а отрицательные энергии, подобно мнимым числам в математике, останутся как бы за кулисами событий — на уровне математического аппарата теории.

В конце 20-х годов, когда Дирак вывел свое знаменитое уравнение и предложил «теорию дырок», была известна всего лишь одна элементарная частица с положительным электрическим зарядом — протон. Однако его нельзя было считать «дыркой» в море отрицательных энергий, так как массы электрона и «дырки» должны быть одинаковы, протон же почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Поэтому пришлось допустить, что наряду с электроном в природе должна существовать еще одна такая же частица, только положительно заряженная. А так как при столкновении они аннигилируют и их вещество полностью переходит в энергию излучения, их стали называть частицей и античастицей.

Так в науку вошла идея антивещества.

Электрон часто обозначают значком е-, а антиэлектрон е+. Процесс аннигиляции, рождение двух гамма-квантов, выражается формулой е- + е+—> 2γ. Гамма-квантов обязательно два, один гамма-квант родиться не может. Это легко понять, если рассмотреть аннигиляцию неподвижных частиц. Их импульс — нуль. По третьему закону Ньютона импульс сохраняется, поэтому должно родиться две частицы, разлетающиеся в противоположных направлениях. Их суммарный импульс равен нулю. В принципе может родиться и больше частиц, тогда закон сохранения импульса тоже, конечно, будет выполняться, но такие события происходят очень редко.

Уравнение Дирака сразу же оказалось в центре внимания физиков. Его обсуждали на семинарах и международных физических конгрессах. Это было главное научное событие конца 20-х — начала 30-х годов. Однако идею об античастицах-дырках поначалу серьезно не воспринимали.

Три столетия назад немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц писал: «Мнимые числа — это поразительный полет духа божьего; это почти амфибии, находящиеся между бытием и небытием». Сегодня эти числа изучают в школе, с ними имеют дело техники и инженеры. Диракова теория дырок-античастиц сначала тоже показалась странной и непонятной. Многие физики рассматривали ее как некий теоретический фокус.

Когда история крупных научных открытий рассматривается сквозь призму времени, с высоты накопленных знаний и опыта, часто кажется удивительным, как это люди не замечали столь естественного порядка вещей, а тем более отказывались понимать его после того, как его уже обнаружили. Но дело как раз в том-то и состоит, что естественным представлялся совсем другой порядок, а осознание открытия часто требует отказа от того, что всеми считается очевидным. Для тех, кто знает современную физику, античастицы — такая же привычная вещь, как отрицательные или мнимые числа для математиков. Но полвека назад, повторяем, положение было совсем иным.

Однако в 1932 г. антиэлектрон неожиданно был открыт в эксперименте. Неожиданно — потому, что открывший его американский физик Карл Андерсон вообще не был знаком, с теорией дырок. Он изучал космические лучи, пользуясь камерой Вильсона. Это закрытая емкость, заполненная пресыщенными парами воды или спирта; заряженные частицы оставляют в ней следы — ленточки тумана, толщина и плотность которых зависят от массы частицы. Если же камера к тому же находится в магнитном поле, которое изгибает траектории частиц (положительные — в одну сторону, отрицательные — в другую), то можно установить и знак заряда частиц. Такой метод исследования космических лучей был разработан советским физиком, академиком Д. В. Скобельцыным. Им и воспользовался Андерсон. К слову сказать, сходным методом физики пытаются обнаружить следы кварков.

Открытую им частицу с положительным зарядом Андерсон назвал позитроном. С тех пор антиэлектрон e+ так и называют.

После открытия позитрона стало ясно, что у протона и нейтрона также есть «антипартнеры», так как, подобно электрону, они подчиняются принципу Паули и поэтому должны образовать моря отрицательных энергий. А отсюда сразу следовал вывод: наряду с веществом, атомы которого состоят из протонов, нейтронов электронов, в природе должно быть антивещество, состоящее из антипротонов, антинейтронов и позитронов.

Однако обнаружить антинуклоны оказалось дело очень трудным. Если не считать пяти военных лет, когда европейским и американским физикам было не до частиц, то для открытия антипротона и антинейтрона потребовалось около двух десятков лет. Мощных ускорителей частиц не было ни в 30-х, ни в 40-х годах, и существенным источником тяжелых античастиц могли быть только космические лучи. В разных странах один за другим ставились эксперименты — на поверхности земли, на самолетах и высотных шарах-зондах. Были открыты новые элементарные частицы, неизвестные ранее ядерные реакции, но антипротоны и антинейтроны не встречались никому.