Дирак и его безумная идея

Антивещество почему-то очень занимает умы людей, когда они узнают о его существовании. Стало быть, имеет смысл рассказать о его открытии чуть подробнее, тем более что и открытие это было совершенно необыкновенным.

Антивещество открыли сначала на кончике пера – так же как Плутон. Но разница между тем открытием и этим была колоссальной! Если существование Плутона прямо вытекало из того факта, что известные планеты оказывались на небе немного не там, где должны были оказаться согласно законам небесной механики, и этому могло быть причиной только существование некоей неизвестной планеты, вносившей свое возмущение в движение известных планет, то с позитроном все случилось как-то совсем уж по-дикому.

Его существование предсказал английский физик Поль Дирак. Интересный это был человек. И окружали его в науке не менее интересные люди…

Поль Дирак

Когда в 1932 году Поль Дирак читал лекцию в Харькове, слушавший его в числе прочих советских граждан не менее гениальный физик Лев Ландау, решительно не согласный с Дираком, каждый раз, едва Дирак отворачивался к доске и начинал стучать по ней мелом, говорил негромко:

– Дирак – дурак. Дирак – дурак.

Аудитория все это слышала, но полагала, что до лектора звуки не долетают. Однако, закончив лекцию, Дирак положил мел, повернулся к Ландау и произнес на русском языке:

– Сам дурак!

Когда уж и русский-то выучить успел?..

Несмотря на этот случай, Ландау Дирака очень уважал и считал его одним из главных физиков планеты. А уважать его было за что! И за вклад в квантовую механику, и за квантовую электродинамику, и за создание релятивистской теории электрона… Так вот как раз релятивистская теория электрона, то есть уравнения, описывающие поведение электрона, движущегося на околосветовых скоростях, и преподнесли их создателю огромный и странный сюрприз.

Изначально идея у Дирака была проста, как пряник, – совместить теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Дело в том, что эти две величайшие теории не стыкуются! Попросту говоря, противоречат друг другу. И до сих пор задача свести их вместе не решена. Не решил ее и Дирак, зато на пути к этой цели мудреным математическим уравнением описал быстро летящий электрон. Это уравнение сейчас носит его имя.

Уравнение всем понравилось, включая автора, однако беда была в том, что формула давала два варианта решения. Одно из них, как и требовалось, соответствовало электрону, а другое выглядело сущей ерундой – оно говорило о какой-то странной частице, очень похожей на электрон, но… с отрицательной энергией.

Что за бред?

Размышляя над всем этим, Дирак пришел к странному выводу: вакуум – это бездонный океан «бесплотных» частиц, он представляет собой бесконечное множество «непроявленных» электронов с бесконечным числом уровней отрицательных энергий. Этот океан назвали «морем Дирака». Как видите, океан обмельчал в названии, но не по сути! По сути он остался все той же «бесконечностью отрицательных энергий». Море Дирака представляется нам пустотой (вакуумом) только потому, что образует сплошной неосязаемый фон. Сцену, на которой разворачиваются мировые события.

Но если вдруг в это море Дирака, допустим, залетает энергичный квант, то есть поступает порция энергии, она может выбить из него электрон, который, приобретя положительную энергию, рождается на свет. А на его месте в океане образуется дырка. Которую мы воспринимаем как античастицу. Она имеет реальную массу и прочие характеристики электрона, но при этом – положительно заряжена. А если электрон вновь свалится в эту дырку, то квант энергии обратно высвободится и улетит!..

Теория была весьма странной, мягко говоря. Какая такая дырка? Какой такой океан бесконечных отрицательных энергий? Дядя, вы что – бредите?

Но в 1932 году американский физик Андерсон открыл этот самый предсказанный «дырявый» антиэлектрон и назвал его позитроном.

Тем не менее по сию пору физики к морю Дирака относятся весьма настороженно. Но Нобелевскую премию ему на всякий случай все же дали.

Чапаев и пустота

Кстати, вас не удивил тот факт, что при аннигиляции масса может исчезать, превращаясь в чистый свет (излучение)? Ведь на самом деле это поразительно, если вдуматься! Нас с самого детства окружают тела, имеющие массу, мы так привыкли к проявлению массивности, что сама мысль о том, будто масса может попросту исчезать, кажется дикой. Тем более что у самих физиков есть закон сохранения массы, который дети проходят в начальной школе! Это что же, один из главных физических законов нарушается, что ли?

Нет, не нарушается. Ведь масса не исчезает бесследно.

Дело в том, что, строго говоря, масса и энергия – это одно и то же. Масса – это как бы «сгущенная энергия», и правильнее закон сохранения массы и закон сохранения энергии было бы назвать законом сохранения массы-энергии, потому что масса никуда бесследно не исчезает, но может переходить в энергию и наоборот (равно как и разные формы энергии могут переходить друг в друга – механическая в электрическую, электрическая в тепловую и т. д.).

Эквивалентность массы и энергии показал еще Эйнштейн, ворвавшийся в физику стремительным аллюром, словно Чапаев, и открывший свою знаменитую формулу, которая связала массу с энергией через скорость света. Приводить эту простенькую формулу, хоть и велик соблазн, я тут не буду, ибо дал себе страшную клятву написать книгу о физике без единой формулы. С другой стороны, кто мне помешает разместить тут картинку? Таким образом я хитро вывернусь, не нарушив данного самому себе слова.

Формула Эйнштейна, связывающая массу с энергией, настолько популярна в народе, что ее часто рисуют даже на футболках и кружках. Здесь Е – это энергия, m – масса, а с – скорость света в квадрате

В общем, если верить майкам и кружкам, любую энергию можно выразить в килограммах, а любую массу – в единицах энергии (джоулях) с помощью простого коэффициента с². Хотя с налету принять сие непросто: в самом деле, ну как такое может быть, что масса и энергия – одно и то же? Уму непостижимо!

Масса – это мера инертности тела, мера его веса. Чем массивнее тело, тем труднее его стронуть с места, разогнать или поднять. Еще масса имеет гравитационное свойство – она может притягивать к себе другие гравитирующие массы. А энергия – это нечто эфемерное, теоретическое. Некое свойство или способность тела совершать работу. Поднял гирю в часах с кукушкой – запас потенциальную энергию для движения стрелок, разогнал пулю – придал ей кинетическую энергию, теперь она может пробить доску. Наконец, энергией в физике называют и просто кванты электромагнитного излучения. Вот именно в эти безмассовые кванты и превращается масса при некоторых реакциях.

Тут некоторые добрые люди могут сказать, почесав затылок:

– Ну, тогда получается, что энергия энергии рознь, не надо путать. Кинетическая энергия – это просто формальная абстракция. Скорость тела подставляется в формулу, и получается на бумажке некое число, которое мы называем энергией. В реальности никакой энергии нет, есть только скорость тела. Да и та – величина очень относительная, весьма формальная. Если вы едете в электричке, то ваша скорость относительно земли равна скорости электрички, и у вас тогда довольно большая кинетическая энергия. А относительно вагона вы вообще не двигаетесь, а просто сидите на лавке, стало быть, относительно вагона ваша кинетическая энергия равна нулю! А если учесть, что Земля с огромной скоростью несется вокруг Солнца, то относительно Солнца ваша кинетическая энергия вообще умопомрачительная! Но это всего лишь цифирки на бумаге. А вот что касаемо излучения, то есть квантов электромагнитного поля, которые тоже иногда называют энергией, – это всего лишь одна из форм существования материи – полевая. Просто в микромире вещество может превращаться в поле, а поле в вещество. Так что не надо нам тут говорить, будто реальное вещество превращается в энергию. Оно просто превращается в другую форму материи. А попробуйте превратить в реальную материю цифры на бумаге!..

Хорошие рассуждения. Глубоко человек копает! Уважаю. Вот только кинетическая энергия, которая зависит от скорости, очень даже может превращаться в реальную материю – и полевую, и вещественную, то есть и в излучение, и в массу.

Это все время происходит и в природе, и у физиков в ускорителях. Ускоритель – огромная установка, которая с помощью электромагнитных полей разгоняет потоки заряженных частиц. И сталкивает их друг с другом. Идея ускорителей состояла в том, чтобы посмотреть, как устроены частицы, разбив их ударом друг о друга, как ребенок разламывает игрушку с целью поглядеть, что у нее внутри. Однако в результате столкновения элементарные частицы не разваливаются на составные части, ибо не состоят из «деталек», а превращаются в другие частицы или рождают целые снопы новых частиц. Причем получившиеся частицы могут быть тяжелее исходных. Откуда же они берутся? Как уже говорилось ранее, из энергии! Из той самой, которую придали исходным частицам физики, разогнав их до высокой скорости.

Так, например, если хорошенечко разогнать навстречу друг другу два протона, то при их столкновении сами исходные протоны никуда не деваются, а при ударе рождается еще целая гроздь разных частиц. Каких? Об этом чуть ниже, а сейчас обратите внимание на то, что рождаются они как бы из ничего. Но на самом деле не из ничего, а из «лишней» энергии этих исходных протонов, из чистой скорости.

Люди хитрые и хорошо знакомые с теорией относительности Эйнштейна, могут уточнить:

– Ты, собака, базарь, но знай меру!.. Не из скорости, а из той дополнительной массы, которую им придала скорость!

А людям более вежливым, но с теорией относительности не знакомым, нужно кое-что пояснить. Дело в том, что теория Эйнштейна утверждает: при росте скорости любого массивного тела его масса увеличивается. Это факт.

Масса покоящегося тела – минимальна. Фотон, например, так вообще не обладает массой покоя, поэтому и может летать, как ангел, со скоростью света, а остановиться не может. Но если тело имеет массу, то мы его никогда не сможем разогнать до скорости света, потому что его масса при приближении к скорости света будет стремиться к бесконечности.

При тех скоростях, с которыми мы имеем дело в земной реальности, рост массы совершенно незаметен, но при приближении к скорости света масса начинает расти очень быстро, вообще по беспределу! Поэтому даже легонький электрон невозможно разогнать до скорости света: для этого не хватит энергии всей вселенной, так как масса электрона превысит массу всей вселенной.

Очень красивый график, который показывает, что при приближении к скорости света масса тела вырастает в разы. Здесь m₀ – это масса покоящегося электрона или любой другой частицы – хоть килограммовой гири

Небольшую отдельную главку об удивительной теории относительности вы можете прочитать ниже, а сейчас завершим разговор о массе-энергии и о частицах… Можно, конечно, сказать, что вещество в виде новых частиц рождается в ускорителях из «наросшей» массы сталкивающихся протонов, поскольку их разгоняют до скоростей, близких к скорости света, и масса частиц вырастает изрядно. Но это объяснение никак не противоречит сказанному ранее, ведь рост массы происходит как раз из-за набора скорости, то есть возникает из кинетической энергии разогнанных тел. Разгоняя частицы, мы накачиваем их энергией. Таким образом, энергия непосредственно превращается в массу, а эксперимент воочию демонстрирует нам эквивалентность массы и энергии. Вот вам и формальная абстракция, вот вам и «цифирки на бумажке»!..

Можно пойти в рассуждениях и дальше. Вспомним магнит. Его окружает магнитное поле. Как далеко оно простирается? И может ли оно вообще на каком-то удалении от магнита резко «оборваться»? Нет, теоретически поле уходит в бесконечность, «истончаясь» до практического нуля, но никогда этого нуля не достигая. И вокруг электрона его электрическое поле тоже тянется в бесконечность. Можно сказать, что любой крохотулечка-электрон имеет габариты размером со всю вселенную. Или что он представляет собой «стоячую волну» с пиком электрического поля в точке собственного расположения, а полевые края этой остроконечной «шляпы» уходят в бесконечность.

Еще на рубеже XIX–XX веков появилась теория, гласящая, что вся масса электрона создается его электромагнитным полем и ничем больше. Ее выдвинул английский физик Томсон. К единому мнению по данному вопросу физики так и не пришли, но учитывая, что вещество имеет двойственную, то есть и корпускулярную, и волновую природу, каждую частицу можно представить как «полевой сгусток» или «полевой клубок», который может, проаннигилировав и потеряв массу при встрече с «антиклубком», «распуститься» в линейную нить летящего фотона.

Физические поля, друзья мои, это не кучевые облачка, окружающие заряженные частицы или предметы. Поля уходят в бесконечность и пронизывают всю вселенную. Мы живем в полях и колебаниях и сами во многом представляем собой поля и колебания. И даже там, в далеком космосе, в миллиардах и триллионах километров от любого вещества, где, казалось бы, и нет ничего, все равно что-то есть.

Что?

Физический вакуум. Обычно под словом «вакуум» понимают пустоту, так сказать «чистое пространство», в котором нет ни веществ, ни полей. Но еще древние греки смутно догадывались, что «природа боится пустоты».

– Natura abhorret vacuum! – восклицали римляне вслед за греческим философом Аристотелем.

И смутные догадки древних философов квантовая физика подтвердила. По современным представлениям, пустоты действительно нет, а вакуум представляет собой вырожденную материю на нулевых энергетических уровнях. В этой «пустоте», то есть в физическом вакууме, все время происходят околонулевые колебания поля и вещества, поэтому прямо из пустоты на короткие мгновения рождаются и тут же схлопываются виртуальные пары «частица-античастица». Разрешает им рождаться принцип неопределенности. А чтобы при этом не нарушался закон сохранения массы-энергии, частицы, едва проклюнувшись из небытия, тут же снова ныряют обратно в ничто. Иначе получится, что вещество берется из ниоткуда!

Но если пары частица-античастица образуются на такой короткий срок, что их невозможно засечь никаким прибором, как проверить, происходит ли это? Есть несколько способов.

Во-первых, в момент появления их можно успеть растащить, приложив мощное внешнее поле. Чего проще: поставим две параллельные металлические пластины в вакууме, подадим на них мощный электрический потенциал – на одну «+», на другую «-». Тогда частицы, возникнув из небытия, не успеют схлопнуться обратно, а будут ухвачены «за волосы» собственного поля внешним полем и растащены. Но никакого нарушения законов сохранения при этом уже не произойдет, ведь мы заплатили деньги, подключили прибор к розетке, потратили энергию, в результате чего получили из нами же организованного внешнего поля новую массу. Все по-честному.

Эффект Казимира. И между пластинами, и за ними вакуум «кипит» постоянно возникающими частицами и квантами полей. Но внутри пластин возможно возникновение ограниченного количества квантов – только таких, у которых между пластинами укладывалось целое число волн, а остальные там «не помещаются». А вот вне зазора возникают кванты любых частот, их там ничто не ограничивает. Значит, снаружи их вспыхивает больше, и снаружи квантовое давление соответственно сильнее

Во-вторых, существует так называемый эффект Казимира. Снова берем и ставим в вакууме две параллельные пластины на микронном расстоянии друг от друга. И замечаем, что они начинают притягиваться друг к другу чуть больше, чем им положено в соответствии с законом всемирного тяготения. Почему? Из рисунка выше и подписи к нему становится ясно, почему.

Наконец, третье доказательство «кипения» вакуума. В физическом вакууме все время возникают и исчезают виртуальными парами протоны и антипротоны, электроны и позитроны. А они ведь имеют свой заряд! И этот заряд из-за постоянного «кипения вакуума» постоянно присутствует вокруг реальных частиц и с ними взаимодействует, как бы экранируя реальные частицы от внешнего наблюдателя. Так вот, эта экранировка физиками была засечена приборно. Таким образом, будучи не в силах поймать сами виртуальные частицы, они засекли их наличие по косвенным признакам. Разве плохо?

И теперь современные философы, начитавшись книжек о физике, выделяют три состояния материи – вещество, поле и вакуум. Я бы даже сказал, что вакуум – это «овеществленное пространство».

Но самый большой сюрприз преподнес философам тот самый Дирак, по представлениям которого реальные частицы являются всего лишь устойчивыми возбужденными состояниями вакуума. Какое-то из них мы воспринимаем как электрон, какое-то как пи-мезон… И когда электрон, например, летит, то это не шарик летит в пустоте, где ему ничего не мешает, а перемещается волна возбуждения в первичной ткани нашего мира – вакууме. С этой точки зрения мы все состоим из пустоты, разным образом организованной.

Вот такие пироги…

Ну, а что касаемо элементарных частиц, с которых мы начали эту главу, то к настоящему времени физики обнаружили их целые сотни. И честно говоря, ничуть не обрадовались. Потому как не нужно им было столько! Весь окружающий нас мир создан всего из трех частиц. Ну, еще нам пригодятся кусочки света – фотоны, чтобы не лупить глаза в темноте. А остальное-то на кой черт напрыгало из закромов природы?

Для чего природе понадобились эти сотни частиц, которые мы засекаем на ускорителях? Просто сумасшедшее какое-то количество! С разными свойствами… Например, разница в массах у частиц может достигать 600 миллиардов! К чему такое безумное разнообразие?

Правда, почти все эти новоявленные сотни частиц весьма короткоживущие, они существуют ничтожные доли секунды, после чего распадаются на более стабильные и уже знакомые нам частицы. Поэтому лично я, честно говоря, в силу недолговечности этих частиц вообще отказал бы им в громком наименовании «частицы», а обозвал скорее переходными процессами, то есть моментом превращения сталкивающихся в ускорителе протонов во что-то другое. В природе не бывает мгновенных процессов, все процессы занимают какое-то время, вот и те треки, которые опознаются физиками как короткоживущие частицы, я бы назвал «реакциями». Впрочем, физики называют эти короткоживущие штучки отдаленно схожим словом – «резонансы». И вообще сейчас они заняты тем, что составляют для обнаруженных сотен частиц классификацию, своего рода «таблицу Менделеева» для элементарных частиц.

Пожелаем им в этом успехов.