Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
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.
Вскоре репродукция странной фотографии попала на страницы научных журналов. За несколько недель она обошла весь мир, не на шутку взволновав физиков. И волнение было понятно. Проверив множество объяснений, ученые согласились на одном: снимок зафиксировал предсказанное теорией Дирака рождение пары частиц. Свет превратился в вещество. Фотон космических лучей выбил из пустоты пару частиц — обыкновенный отрицательный электрон и необыкновенный, предугаданный теорией электрон с положительным электрическим зарядом.
Эта новая частица получила имя позитрона. С ним мы встречались уже не раз — при обсуждении термоядерных реакций на естественном и искусственном солнце.
Дерзкая фантазия тончайшей физической теории праздновала торжество.
АНТИВЕЩЕСТВО
Рассуждения, которые мы вели лишь в применении к электронам (как это делал сам Дирак в начале своего творческого пути), справедливы также для других частиц— протонов, нейтронов, для всех «кирпичиков» атома. Различие заключается только в ширине запретной полосы на диаграмме энергий между: —т0с2 и +т0с2, ибо массы: у разных частиц неодинаковы. Например, протон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Поэтому для выбивания дырки в ненаблюдаемом фоне протонов отрицательных энергий потребовалась бы энергия по крайней мере в 2000 раз большая, чем при выбивании дырки в электронном фоне. Здесь уже требуется не миллион, а несколько миллиардов электроновольт.
Короче говоря, по воззрениям, вытекающим из представлений Дирака, пространство Вселенной есть целая совокупность вложенных друг в друга неощутимых океанов разных частиц отрицательных энергий. Космическую пустоту, если хотите, можно считать и одним сплошным океаном отрицательных энергетических состояний, из которого удается выбивать неодинаковые (но вполне определенные) частицы и дырки.
Здесь стоит отметить, что выбить из вакуума возможно не все известные физике элементарные частицы, а лишь те из них, что занимают в пустоте, так сказать, плацкартные места. Пребывая в том или ином состоянии, они больше никого не пускают на свою «полку». Потому-то состояние и остается пустым, как только «пассажир» покидает его. Физики называют такие частицы фермионами — по фамилии ученого, изучавшего их особенности (Ферми). Сам принцип плапкартности косит название принципа Паули (по имени физика, сформулировавшего его на научном языке).
Вместе с тем в природе существуют частицы, не подчиняющиеся принципу Паули. Это бозоны (от имени их исследователя Бозе). Они «пассажиры-бесплацкартники». В каждое состояние их вмещается сколько угодно. Понятно, что бозоны, к которым относятся фотоны, так называемые пи-мезоны и некоторые другие частицы, не способны к парному рождению. Но зато они могут служить великолепными «молотками» для ударов по вакууму.
В 1955 году американским физикам Сегре, Чемберлену, Виганду и Ипсилантису с помощью мощного ускорителя удалось обрушить на пустоту столь сильные удары, что из нее начали выпрыгивать протоны, сопровождаемые массивными дырками — антипротонами. «Молотками» служили пи-мезоны, которые возникали при резком торможении протонов, разогнанных до энергии в миллиарды электроновольт.
Вслед за тем на том же ускорителе были получены пары «нейтрон-антинейтрон»[10].
Как видите, в настоящее время любой частице, составляющей атом, отвечает своя дырка в пустоте — своя античастица. Поэтому, вообще говоря, мыслимо представить себе атом, ядро которого построено из антипротонов и антинейтронов, а электронная оболочка — из позитронов. Это антиатом. А если вместе собраны неисчислимые мириады таких антиатомов? Они образуют вещество, составленное из дырок, — то, что принято называть антивеществом.
ВРАЖДА НЕПРИМИРИМАЯ
Атомы и антиатомы имеют вполне тождественное строение. Свет, рентгеновские лучи, радиоволны они излучают и поглощают совершенно одинаково. По этой причине издалека, через пустое пространство, мы никакими способами не сумели бы отличить вещества от антивеществ. Те и другие строго равноправны. И равноправие это вытекает из самых основ теории, из равноправия плюса и минуса перед квадратным корнем в релятивистском выражении энергии.
В результате принципиально невозможно доказать, что мы с вами состоим из атомов, а не из антиатомов. Сказать, что частицы нашей природы не являются дырками в пустоте, нельзя, как нельзя утверждать, что, например, у мыши хвост находится слева от туловища. Дело лишь в точке зрения, в условии рассуждений, Ведь сами понятия дырок и частиц относительны.
Позитрон, к примеру, можно считать частицей, а электрон — дыркой в ненаблюдаемом фоне позитронов. И никакими опытами невозможно определить, из чего «состоит» пустота — из электронов или из позитронов. Мы согласились называть себя состоящими из вещества и считать пустоту океаном протонов, нейтронов, электронов— вещественных частиц, энергия которых меньше, чем нуль. Согласились, только и всего. Дальнейшие домыслы были бы попросту незаконны. Не мудрено поэтому, что равноправие вещества и антивещества проявляется буквально в каждом свойстве.
И вот, несмотря на это абсолютное «юридическое» равенство, оба эти вида весомой материи — непримиримые враги. Они не терпят присутствия друг друга, как порох не выносит факела. Что это значит?
Представьте себе, что из антивещества построена какая-то далекая планета, и космический корабль, стартовавший с Земли, мчит к ней на всех парах. Вот он приблизился к цели, сейчас прикоснется к чужой почве... Что произойдет при таком прикосновении? Гигантский, невообразимо мощный взрыв — более сильный, чем взрыв тысяч водородных бомб. Дотронувшись до роковой планеты, космический корабль мгновенно исчезнет, целиком превратится в излучение.
В чем причины катастрофы?
Каждый протон, каждый нейтрон, каждый электрон, из которых состоят атомы корабля, при соприкосновении с антипротонами, антинейтронами и позитронами планеты сделают то же, что бильярдные шары, подкатившиеся к лузам. Частицы провалятся в античастицы — эти дырки в пустоте. Весь корабль низвергнется в незримую пучину небытия, в вакуум, увлекая с собой равное по массе количество материала чужой планеты и вызван неимоверную световую вспышку.
На языке науки этот процесс носит название аннигиляции[11]. Вещество и антивещество взаимно поглощают друг друга, освобождая дотоле скрытую в них энергию. Причем выделение ее происходит в точном соответствии с эйнштейновской формулой Е = тс2.
В лабораторных условиях микроскопические копии подобных катастроф наблюдались и воспроизводились многократно. Физики каждый день видят, как превращаются в свет позитрон и столкнувшийся с ним электрон. Неизбежно аннигилируют, преобразуясь в невидимый свет, антипротоны с протонами, антинейтроны с нейтронами. Словом, предсказания Дирака получили в наши дни полное подтверждение.
ФИЗИЧЕСКИЙ ОСТОВ ПРИРОДЫ
Бегло и вкратце мы проиллюстрировали кое-какие выводы из научных воззрений основоположника релятивистской квантовой теории. Конечно, многое осталось вне нашего поля зрения. Слишком уж трудно изложить эти вопросы достаточно популярно. Но, пожалуй, мы вправе задать вопрос: в какой мере описанные воззрения все-таки соответствуют истине, подлинной природе вещей? Нельзя ли как-нибудь иначе истолковать рождение и аннигиляцию пар? Ведь, честно говоря, чересчур парадоксальными выглядят все эти частицы отрицательной энергии, незримые океаны сплошной материи вместо вакуума.
Очень трудно спорить с Дираком.
Пока не нашлось ни одного факта, противоречащего его взглядам. Наоборот, в последние годы найдено еще одно веское подтверждение им. Тонкими и сложными опытами удалось доказать, что пустота подвержена действию электрического поля, изменяет свое состояние вблизи электрически заряженных тел. Вакуум способен электризоваться, что свидетельствует о его материальной структуре.
И тем не менее сегодня физики считают, что картина природы, нарисованная английским ученым, — не единственно возможная.
Сила дираковских представлений в том, что они предсказали новые факты. Но теперь, задним числом, эти факты удается истолковать и по-иному. Разработана, к примеру, теория, обходящаяся без отрицательных энергий. Но зато в ней появляется... отрицательное время. Электрон, движущийся «против времени», оказывается позитроном — словно на киноэкране, когда кинопленка со съемкой поведения электрона пущена наоборот— с конца к началу. Попробуйте-ка уяснить себе это! Приходит на ум пословица: «хрен редьки не слаще». Движение в отрицательном направлении времени не уступает по парадоксальности отрицательным энергиям. Между тем математический аппарат новой теории в ряде случаев удобнее, чем дираковский, и им охотно пользуются физики-теоретики.
