Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
Иное дело в квантовой механике. На смену непрерывности она ставит прерывистость изменения состояния частиц. Через «непреодолимую» стену открывается возможность как бы перескочить «на ходу», без остановки, минуя запретные промежуточные состояния, где частица должна была бы находиться в поле несуществующих сверхъестественно огромных сил. Характер такого «перескока» чем-то напоминает квантовые «чудеса» «лыжников-кудесников», которые, как вы помните из главы «Право сиять», прекрасно «просачивались через горы».
Итак, в стене между положительными и отрицательными энергиями квантовая механика прорубила широкие ворота.
ЧТО ТАКОЕ ВАКУУМ
Читателю, вероятно, памятна важнейшая физическая причина, вызывающая к жизни природные процессы: стремление систем тел к устойчивости, к состояниям с наименьшей потенциальной энергией. В конечном итоге именно из-за этого возгораются звезды, светит Солнце, падает на Землю камень. Но если в классической физике нижний предел энергии представлялся нулем, то в теории Дирака он опустился в бездонную пропасть отрицательных величин. А раз так, то получалась нелепость: стремясь к устойчивости и опускаясь поэтому сколь угодно далеко вниз по энергетической диаграмме (через «люк», проделанный квантовой механикой), электрон обретал способность выделять бесконечно большое количество энергии, неведомо откуда взявшейся. Да и вообще при разрешенных отрицательных энергетических состояниях электрон не смог бы пребывать в состояниях с положительной энергией. Стремление к устойчивости заставило бы его, по квантовым законам, «упасть» вниз — в отрицательную область.
Но тогда встает законный вопрос: почему же электроны окружающего нас вещества не «проваливаются» в эти «тартарары» релятивистской квантовой теории? Ведь все мы, все, что нас окружает, построено из частиц, среди которых есть электроны только положительных энергий!
Дирак ответил на это недоумение весьма остроумным, но рекордно фантастическим предположением.
Мир устроен так, заявил ученый, что все отрицательные энергетические уровни уже заполнены электронами.
Все пространство Вселенной битком набито ими. Электронам положительных энергий попросту некуда «провалиться». Они представляют собой как бы «непровалившийся остаток», которому «не хватило места».
Трудно заставить себя согласиться с такой идеей. Никогда нигде не обнаруживались «провалившиеся» электроны, энергия которых меньше, чем нуль. А ведь их, по Дираку, неизмеримо больше, чем обычных электронов положительных энергий — земных, солнечных, звездных.
Где же эти странные частицы, которыми Вселенная должна быть буквально утрамбована? Почему они незаметны?
Дираку оставалось допустить, что электроны отрицательных энергий... ненаблюдаемы! Бесчисленное их количество ощущается нами, как пустота, как вакуум, как место, в котором ничего нет!
Подумайте только! Пустяковая, казалось бы, вещь: немудрящий квадратный корень, лишний знак перед математическим выражением энергии небывало усложнили, перевернули вверх дном ясные, привычные, веками устоявшиеся представления о том, что кажется проще всего на свете, — о пустоте!
УДАР В ПУСТОТУ
Как бы оригинальна и интересна ни была научная идея, никто из специалистов не отнесется к ней серьезно, если она не укажет путей собственной экспериментальной проверки, не предскажет открытия неведомых прежде фактов. Чем же Дирак предполагал обосновать свои смелые мысли?
Прежде всего он отметил, что ненаблюдаемый физический объект — не такая уж необыкновенная вещь.
Возьмите к примеру обычный атом. Ведь и там электроны не наблюдаются непосредственно (без вмешательства извне). Нет ни одного эксперимента, который прямо отметил бы движение их внутри электронных оболочек» не нарушая этого движения. Но мы твердо убеждены в существовании этих невидимых частиц, ибо свое присутствие они проявляют, например, при перескоках с одной орбиты на другую, при изменениях энергетического состояния. В этих случаях электроны атома создают электромагнитное излучение. Вообще без передачи и преобразований энергии немыслимы никакие процессы, опыты, наблюдения. А отсюда вывод: чтобы хотя бы косвенно обнаружить материальную структуру пустоты, надо попытаться каким-то способом изменить в ней энергетическое состояние ненаблюдаемых частиц.
Естественным логическим развитием этих соображений была идея проверки релятивистской квантовой механики путем «удара в пустоту».
Поскольку всюду вокруг нас и в нас самих — бесчисленное множество совершенно неощутимых электронов отрицательных энергий, то имеет смысл попробовать какой-либо из них так сильно обогатить энергией, чтобы он перескочил с ненаблюдаемого отрицательного энергетического уровня на обычный—положительный. Видимо, для этого ему придется сообщить энергию больше, чем полная ширина запретной зоны, то есть больше миллиона электроновольт. Только тогда он перепрыгнет запрещенные состояния «единым махом», как и разрешает квантовая механика. Если теория верна, то таким способом мы совершили бы потрясающий фокус — извлекли бы из вакуума материальную частицу!
Словом, теория Дирака дала вполне конкретное задание физикам-экспериментаторам: с огромной силой ударить по пустоте и... выбить из нее крупиночку вещества!
Неясно было только, чем ударять, каков должен быть этот необыкновенный «молоток», как заставить частицы отрицательных энергий воспринять на себя его удар.
Позднее эти вопросы нашли решение.
МОЛОТОК И НАКОВАЛЬНЯ
Обязанности «молотка», бьющего по пустоте, может выполнить достаточно энергичный фотон — «пуля» света, носитель всепроникающей электромагнитной энергии, А чтобы толчок был воспринят и фотон поглощен, пустоту следует предварительно «положить на наковальню», роль которой способно сыграть какое-нибудь атомное ядро.
Зачем нужна эта «наковальня»?
Молоток-фотон несется в равномерном «киселе» пустоты, заполненной неощутимыми частицами. И фотону не обо что опереться, стукнуться, чтобы передать им энергию. А атомное ядро, попавшееся на пути фотона, воспринимает на себя его импульс. Фотон стукается о поле ядра, словно молот о наковальню, и обретает способность обогатить своей энергией ненаблюдаемый электрон.
Если энергия фотона больше миллиона электроновольт, он, ударив по пустоте, способен так сильно толкнуть ненаблюдаемый электрон вакуума» что тот, совершив, по квантовым законам, «прыжок», превратится в обыкновенный наблюдаемый электрон нашего мира.
А что останется в вакууме?
Там останется освобожденное электроном состояние. Останется дырка! Дырка в пустоте!
ДЫРКА В НЕЗРИМОМ
Что такое, собственно говоря, дырка?
Отсутствие в чем-то этого самого чего-то.
Дырка в головке сыра — отсутствие сыра в сыре.
А дырка в пустоте? Видимо, это отсутствие в пустоте... пустоты! Дырка в пустоте означает нечто, не являющееся пустотой. Что же именно?
Освободившееся состояние в дираковском фоне электронов отрицательных энергий есть состояние с положительной энергией (отсутствие недостатка есть избыток). Значит, дырка, «просверленная» в вакууме, будет наблюдаема.
Отсутствие отрицательного заряда в ней проявится как наличие положительного заряда. Отсутствие отрицательной массы — как положительная масса.
Другими словами, дырка представит собой материальную частицу, во всем подобную обычному электрону нашего мира, но заряженную положительно.
Теперь мы можем полностью сформулировать предположение о последствиях удара сильным фотоном по вакууму вблизи атомного ядра: из вакуума должны вылететь сразу две материальные частицы — положительный и отрицательный электроны.
И опыт подтвердил это необычайное предвидение.
В 1932 году американский физик К. Андерсон исследовал космические лучи —частицы высоких энергий, которые мчатся к нам на Землю из глубин Вселенной. Работа велась по методу, предложенному известным советским ученым Д. В. Скобельцыным. Камера Вильсона (прибор, в котором протоны и электроны, пролетая, оставляли за собой тонкие следы тумана) была поставлена между полюсами сильного электромагнита. Под влиянием магнитного поля пути частиц в камере искривлялись в разные стороны, в зависимости от знака заряда. И по кривизне, толщине, длине этих туманных линий следопыты-физики могли всесторонне изучить пролетевшие частицы.
В один прекрасный день, просматривая очередную партию фотоснимков следов, Андерсон обратил внимание на необычную картину. Два следа, соответствующих по толщине электронным, выходили из одной точки и загибались в разные стороны. Получалось, что частицы несли на себе разные по знаку, но одинаковые по величине электрические заряды.
