Частица и античастица

Первым начал процесс объединения двух теорий английский физик Поль Дирак. Частиц тогда — к 1928 году — было известно только три: фотон, электрон и протон. Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света); электрон — элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным (как условились считать) зарядом, был открыт Томсоном в 1891 году; протон — стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Самым “старым” был электрон. С ним физики были знакомы уже десятки лет. Понятно, что с электронов и следовало начинать.

Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов и квантовой механики и теории относительности и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давая два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией, другое — частице, у которой энергия была отрицательной. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (18, с. 163).

Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных “антиблизнецов”. Используя результаты экспериментов швейцарского ученого В. Паули, Дирак сделал потрясающий вывод: “Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане” (69, с. 16). Сравнение с океаном (или морем) оказалось удачным. Вакуум нередко называют “морем Дирака”. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события (83, с. 16).

Чтобы лучше понять это положение, рассмотрим гакую аналогию. Человеческий глаз видит только то, что движется относительно него. Очертания неподвижных предметов мы различаем только потому, что человеческий зрачок сам постоянно движется, А многие животные (например, лягушка), не обладающие таким аппаратом зрения, способны, не двигаясь, видеть только движущиеся предметы.

Все мы, живущие в “море Дирака”, оказываемся по отношению к нему в положении лягушки, застывшей на берегу пруда в ожидании неосторожного насекомого. Летящее насекомое она увидит и не шелохнувшись, а пруд в безветренную погоду без бегущей по воде ряби для нее невидим. Так и для нас: фоновые электроны мы не видим, а в роли насекомого выступают редкие по сравнению с фоновыми электронами частицы с положительной энергией.

В 1956 году П. Дирак приезжал в Москву и выступил там с лекцией “Электроны и вакуум”. Он напомнил в ней, что мы не так уж редко встречаемся в физике с объектами, вполне реально существующими и тем не менее до случая никак себя не проявляющими. Например, невозбужденный атом, находящийся в состоянии наименьшей энергии. Он не излучает, значит, если на него никак не действовать, он останется ненаблюдаемым. В то же время мы точно знаем, что и такой атом не представляет собой нечто неподвижное: электроны движутся вокруг ядра, и в самом ядре идут обычные процессы.

Океан ненаблюдаем только до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в “море Дирака” попадает, скажем, богатый энергией световой квант — фотон, то он при определенных условиях заставляет “море” выдать себя, выбивая из него один из многочисленных электронов с отрицательной энергией. И, как утверждает теория, родятся сразу две частицы, которые можно будет обнаружить экспериментально: электрон с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом и антиэлектрон тоже с положительной энергией, но еще и с положительным зарядом.

В подтверждение теории Дирака в 1932 году американский физик К. Д. Андерсон экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном (18, с, 59).

Теперь уже доказано, что для каждой элементарной частицы в нашем мире существует и античастица.

Все это не придумано, а открыто, обнаружено, тысячекратно проверено и перепроверено, А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.

Знаменитый физик В. Гейзенберг подчеркивал принципиальное значение работ Дирака над проблемой вакуума. До них считалось, что вакуум есть чистое “ничто”, которое, что бы с ним ни делать, каким преобразованиям ни подвергать, измениться не способно, всегда оставаясь все тем же ничем. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее “ничто” обращалось бы во множество пар частица-античастица.