Игорь Джавадов - Понятная физика
Девиссон и Джермер использовали монокристалл никеля, который они облучали пучком электронов, плавно изменяя напряжение поля. Дифракционная картинка от электронов получилась у них при напряжении U = 54 В, что соответствует λe = 1.67*10-10 м. Эти данные были сразу проверены на рентгеновском спектрометре. Облучая монокристалл квантами, ученые получили аналогичную картину при длине волны излучения λ = 1.65*10-10 м, что практически полностью совпадает. Так гипотеза де Бройля получила первое опытное подтверждение. Тартаковский изменил методику опыта. Он пропускал по очереди электроны и кванты через золотую фольгу и сравнивал получающиеся дифракционные картинки. Совпадение картинок при энергии электронов Е = 54 эВ было полным.
Результаты этих опытов оказалось настолько поразительными, что весь научный мир вздрогнул. Теория де Бройля (будем называть её так) показала, что в наномире, где расстояния меньше, чем 10-9 м, стирается последняя грань между частицами и квантами. Де Бройлю почти сразу присудили Нобелевскую премию, а учёные Франции избрали его президентом Академии наук пожизненно.
§ 57. Море Дирака
Когда Чедвик открыл нейтрон, который входит в состав почти всех атомов, выяснилось, что свободный нейтрон существует около 15 минут, затем распадается на части. Затем были открыты другие частицы, которые «жили» какие-то доли секунды. Известно, что ограниченное время жизни характерно для волн, которые довольно быстро распадаются. Возникает встречный вопрос, могут ли волны, в свою очередь, создавать относительно долгоживущие и компактные объекты? Оказывается, могут. Например, во время спуска по горной реке можно наблюдать в воде устойчивые образования, которые инструкторы по рафтингу называют водоворотами, котлами и расческами. Один настойчивый водоворот диаметром около 5 см сопровождал наш рафт в течение почти 15 секунд. По сравнению со временем жизни сигма-нуль-гиперона, равному 10-20 с, это все равно, что возраст Вселенной по отношению к среднему возрасту человека. Расческой назывался участок реки площадью около 20 м2, покрытый пляшущими столбиками воды размером с карандаш. Очевидно, это был результат дифракции волн на россыпи булыжников под водой. Инструктор утверждал, что «расческа» будет держаться неделю, пока не спадет уровень воды. Выходит, волны могут образовывать компактные и долгоживущие объекты? Де Бройль называл это свойство материи дуализмом (двойственностью). Возможно, электрон это тоже своего рода волновой объект в какой-то текучей среде?
Из теории колебаний известно, что при сложении поперечных волн с достаточно близкими частотами возникает объект, который принято называть волновым пакетом или цугом волн. Цуг волн напоминает волну цунами, где очень высокий гребень посередине сопровождается парой-тройкой гребней спереди и сзади. Ближе к концам цуга высота гребней резко снижается, так что энергия концентрируется в основном в центральном гребне. Такой волновой пакет из воды вполне устойчив и способен переносить энергию на значительные расстояния. Так энергия, выделившаяся при подводном землетрясении 2004 г. в океане, была перенесена цунами к берегам Индии, где произвела огромные разрушения. Возникает вопрос: как фотон, по сути, фрагмент поперечной волны, может существовать и двигаться в космической «пустоте»? Обратимся к фактам.
Считается, что фотон не имеет массы покоя. Следовательно, если фотон и является колебаниями какой-то среды, то эта среда не имеет массовой плотности. Зато она может иметь энергетическую плотность. Нас это не должно удивлять. В физике уже давно принято массу элементарных частиц выражать в единицах энергии. Например, в справочнике по элементарной физике написано, что масса покоя электрона равна 0.51*106 эВ или 0.51 МэВ. Так обеспечивается равноправие между частицами и квантами, причем этот подход – энергетический! Возникает сразу два вопроса: какая среда имеет нулевую массовую плотность и как в этой среде могут возникать поперечные волны? На первый вопрос ответить легко. Эта среда – вакуум. Для ответа на второй вспомним известные результаты.
В нашем макромире мы встречаемся с тремя уровнями плотности. Так, литр воды имеет массу 1 кг, литр воздуха при нормальном давлении имеет массу 10-3 кг, литр газа при давлении 1 мм рт. ст. имеет массу 10-6 кг. Последнюю плотность среды можно назвать техническим вакуумом. Наконец, массовая плотность космического вакуума, где в литре пространства может быть одна – две молекулы газа, практически равна нулю. Напомним, поперечные волны возникают на границе между средами с различной плотностью. Так морские волны возникают на границе между водой и воздухом. В воздухе, на границе между плотным холодным и теплым разреженным слоями, тоже могут возникать поперечные волны. Известно явление «зарница», когда после ухода грозы вдали сверкает молния, а гром не слышен. Это объясняется тем, что воздух у поверхности земли, охлажденной дождем, имеет большую плотность, чем на высоте птичьего полета. Раскаты грома сверху отражаются от плотного слоя и уходят обратно, не достигая наших ушей. При этом на границе между слоями воздуха возникают поперечные волны инфразвуковой частоты, которые мы не слышим.
Возможно, вакуум это не просто однородная «великая пустота», как считали древние греки. Напротив, в вакууме могут быть зоны с различной плотностью. Только плотность эта не массовая, а энергетическая. Мы ее не ощущаем, как не ощущаем электрическое поле. На границе между зонами с разной энергетической плотностью могут возникать поперечные волны. Складываясь, энергетические волны могут образовывать пакеты энергетических волн. Эти пакеты волн наши макроприборы регистрируют как фотоны, электроны и другие частицы.
Эта идея не такая уж бредовая. Вспомним теорию полупроводников. Электронные оболочки, которые связывают атомы в кристалл, образуют зону отрицательной энергии. Электроны проводимости перемещаются в зоне положительной энергии между узлами кристаллической решетки. Теория энергетических зон в кристаллах подтверждена опытами и принята всеми учеными. Если из опытов следует, что фотоны, эти поперечные волны, могут перемещаться в вакууме, значит, вакуум должен иметь, как минимум, две зоны с различной энергетической плотностью, между которыми должна быть достаточно резкая граница.
Дирак, составляя уравнение для движения электрона почти со скоростью света, использовал методы теории квантов. Решая уравнение (уравнение Дирака), он получил для свободного электрона два значения энергии, положительное и отрицательное. О положительной энергии мы знаем. Это энергия электрона, которую он имеет, например, в опыте Комптона. Но что такое «свободный электрон с отрицательной энергией»? Коллеги Дирака отнеслись с недоверием к полученному результату и предложили его отбросить, как не имеющий физического смысла. Но Дирак не согласился, Он предположил, что в вакууме, кроме зоны с положительной энергией частиц, дополнительно существует скрытая зона отрицательных энергий. Свободный электрон, имеющий по Дираку положительную энергию, может производить работу, что регистрируется нашими приборами. В зоне отрицательных энергий электрон связан. Такой электрон не производит работу и не регистрируется приборами.
Из теории Дирака следует, что если гамма – квантом достаточной энергии подействовать на связанный электрон, он может перейти в свободное состояние. Тогда в вакууме образуется вакансия – дырка. Но в дырке от электрона должен быть положительный заряд. Вывод таков, что после облучения квантами вакуума в пространстве должны появиться, кроме электронов, частицы с массой электрона, но с положительным зарядом. Эти частицы могут совершать работу. Забегая вперед, скажем, что такого рода объекты называются античастицы. Античастицу для электрона назвали позитроном. При столкновении электрона с позитроном электрон занимает место «дырки», т. е. позитрона. При этом с экранов приборов исчезают сразу обе частицы, зато в зоне наблюдения (т. е. в нашей зоне) появляется квант с энергией, равной двум массам покоя электрона (или позитрона).
Теория Дирака была настолько необычной, что большинство физиков не приняли её. Но, как говорил Эйнштейн, лучший судья – это эксперимент. Первым Андерсен обнаружил позитроны в составе космических лучей. Затем было показано, что, облучая гамма-квантами технический вакуум, при определенных условиях можно наблюдать рождение пар электрон-позитрон. Прямые измерения показали, что это происходит при энергии квантов, равной 1.02 Мэв. Это значение в точности равно удвоенной массе покоя электрона, равной 0.51 МэВ.
После работ Андерсена многие физики кинулись искать антипротоны. Эти поиски увенчались успехом. Со временем были найдены античастицы практически для всех частиц, за исключением фотона. Квант света оказался единственной частицей, не имеющей своей античастицы. Этот научный факт заставляет задуматься.
