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 ацетил, 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.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.
Экспериментальное открытие антиэлектрона Однако в 1932 г. антиэлектрон неожиданно был открыт в эксперименте. Неожиданно—потому, что открытий 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 [...]
Типы мезонов Сложной внутренней структурой должны обладать все частицы; любая из них окружает себя облаком рождающихся и исчезающих дочерних частиц. Правда, сведения об этом пока еще скудны, но о мезоне, например, кое-что определенное уже известно.Прежде всего внесем важное уточнение. Открыто много различных типов мезонов—несколько десятков. Друг от друга они отличаются массой и другими свойствами. Один из самых [...]
Состав частиц Ну а дальше, из чего состоят протон, нейтрон, электрон? И как глубоко в недра материи спускается лестница таких«ступенек»? В русских народных сказках рассказывается о дремучем лесе, в середине которого высится гора, на ее вершине растет дуб, на дубе висит сундук, в нем сидит утка, в ней—яйцо, в яйце—игла, а на ее кончике Кощеева смерть. Может, [...]
Свойства вакуума Исключить из теории ненаблюдаемые отрицательные энергии удалось после того, как физики стали более глубоко понимать свойства вакуума. Сегодня нам известно, что вакуум—это не абсолютная пустота, а скорее, особая среда, состоящая из бесчисленного множества спонтанно рождающихся и тут же исчезающих частиц и античастиц. Под действием внешних сил, получив дополнительную энергию и импульс, они могут оторваться от [...]
Открытие антипротона Открыли антипротон только в 1955 г., после того как в Калифорнии был запущен бэватрон—гигантский по тем временам ускоритель частиц, рассчитанный на энергию в б с половиной миллиардов электронвольт. Через полгода был открыт и антинейтрон. Проходя сквозь вещество, антипротон и антинейтрон аннигилируют—взрывают и себя, и встретившиеся им на пути протон или нейтрон. Только характер этих взрывов [...]
Монополь–по-прежнему загадка Какой бы логически стройной и изящной ни была теория, ее следствия непременно должны быть подтверждены наблюдением или экспериментом. Иначе она останется гипотезой. Идея монополей возникла более полувека назад. Это очень большой срок для научной гипотезы. Обычно за такой срок гипотеза либо отбрасывается, либо подтверждается. Монополь—редкое исключение, он по-прежнему загадка. И вместе с тем это ключ [...]
Хоукинг Английский физик Хоукинг первым обратил внимание на то, что вблизи границы черной дыры могут спонтанно рождаться пары виртуальных частиц—протон и антипротон, электрон и позитрон и так далее. Рождаются на краткий миг и, будучи сделанными из вещества и антивещества, так же быстро исчезают в процессе аннигиляции. Чтобы суммарный импульс оставался равным нулю, компоненты пары рождаются с [...]
