Дирак неохотно предсказывает антивещество

У пузырьковой теории протона Дирака была одна серьезная проблема. Герман Вейль показал, что пузырек в этом случае должен двигаться так, как если бы он обладал той же массой, что и электрон, – но в то время уже было известно, что протон в 1836 раз тяжелее электрона. Конечно, ошибка в 1836 раз – явление не то чтобы совершенно беспрецедентное, но, безусловно, вызов. У Дирака не было хорошего ответа на вопрос о разнице масс. Теория до конца не сформировалась; ее еще придется дорабатывать. Дирак ссылался на недавние расчеты Эддингтона, говорил, что они обнадеживают, однако несогласованность массы протона с теорией представляла серьезную нерешенную проблему, и ею нужно было заниматься.

Еще одна серьезная проблема выявилась три месяца спустя после выхода статьи Дирака о протоне. Роберт Оппенгеймер (позже он приобрел известность как руководитель Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы) написал статью, в которой указывал, что протоны Дирака, его дырки, должны притягиваться к электронам, а при встрече такая пара должна аннигилировать, разрушая друг друга и излучая всю энергию, заключенную в их массе, в виде гамма-лучей. Ни протоны, ни электроны не должны были существовать в обычном веществе более одной миллионной доли секунды. На самом же деле все не так: электроны и протоны счастливо уживаются в атомах и не думают аннигилировать. Получалось, что теория Дирака противоречит самым фундаментальным наблюдательным данным.

Наконец, в мае 1931 года Дирак написал статью, в которой упомянул одно отчаянное решение. Примечательно, что большая часть статьи была посвящена совершенно другой теме: связи между электрическим и магнитным полями. Название статьи – Quantised Singularities in the Electromagnetic Field («Квантованные сингулярности в электромагнитном поле») – ничего не говорит о том, что в ней содержится краткий комментарий по поводу проблемы отрицательной энергии; всего 2 из 36 абзацев статьи посвящены этому вопросу. Создается впечатление, что Дираку откровенно не нравилось решение, которое он вынужден был изобрести, – предсказание антивещества. В статье говорится:

Дырка, если бы таковая существовала, была бы частицей нового типа, неизвестного экспериментальной физике, и имела бы ту же массу, что и электрон, и противоположный заряд. Такую частицу можно назвать антиэлектроном.

Дирак объяснил, что антиэлектроны отсутствуют в природе, потому что при возникновении тут же аннигилируют с электронами – строго по предсказанию Оппенгеймера. Вот почему мы их не видим. В принципе, антиэлектроны можно было бы создать в лаборатории с помощью высокоэнергетических гамма-лучей, но Дирак считал, что эта задача выходит за рамки доступных на тот момент технических возможностей. По его словам:

Однако с учетом интенсивности гамма-лучей, доступных в настоящее время, эта вероятность пренебрежимо мала.

Гораздо приятнее сознавать, что ты можешь разрешить уже известную загадку, к примеру о магнетизме электрона, чем делать вынужденные предсказания. Если антивещество существует, почему антиэлектроны никто не видел? Дирак не был исследователем и слабо разбирался в реальных ограничениях и возможностях экспериментов. Будь его представления о современных экспериментах более полными, он встревожился бы еще сильнее в связи с собственным предсказанием – у экспериментаторов уже несколько лет было средство, позволявшее наблюдать предсказанные им антиэлектроны. Его осторожная оговорка о «пренебрежимо малой вероятности» была совершенно не нужна.

Сегодня мы знаем, что антиэлектроны Дирака тогда действительно уже наблюдались – но рожденные под воздействием высокоэнергетических космических лучей, а не лабораторных гамма-лучей (в этом Дирак был прав). Космические лучи – это естественное излучение, наблюдаемое на поверхности Земли и приходящее из космоса (этот факт продемонстрировал физик Виктор Гесс[229]еще в 1910-е годы). Эти первозданные космические лучи, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождают антиэлектроны и другие античастицы. В 1927-м, за год до публикации Дираком первоначальной теории электрона, русский ученый Дмитрий Скобельцын[230]в экспериментах, нацеленных на исследование космических лучей, наблюдал, скорее всего, именно позитроны. Однако у него не было способа ни измерить заряд (определить, положительный он или отрицательный), ни наблюдать процесс аннигиляции, так что он не мог отличить вещество от антивещества.

В 1929 году, тоже до предсказания Дираком антиэлектрона, физик Чжунъяо Чжао, работавший в Калифорнийском технологическом институте в соседнем кабинете с Карлом Андерсоном, наблюдал странный эффект при поглощении веществом электронов, порожденных космическими лучами (по крайней мере, физик считал, что это были они). Электроны вели себя не так, как ожидалось. После появления теории Дирака Андерсон верно решил, что разницу в поведении частиц можно было бы объяснить, предположив присутствие здесь же антиэлектронов. Такая интерпретация вдохновила его на создание совершенной камеры Вильсона с сильным магнитным полем и свинцовым барьером, который позволял определить направление движения частицы (поскольку при пролете сквозь свинец она заметно теряла энергию).

Андерсон совершил открытие и опубликовал свой снимок. Ему удалось всех убедить в существовании антивещества. Дирак был прав. Редакторы журнала предложили Андерсону назвать обнаруженные им частицы позитронами, и название закрепилось.

Мой наставник Луис Альварес был знаком с Андерсоном и очень ценил его работу. Он рассказал об одном моменте, который тревожил ученого и о котором, кажется, никто раньше не писал. В 1930-е годы среди студентов и молодых ученых в большой моде были всевозможные розыгрыши. Сам Альварес тоже гордился кое-какими ловкими трюками, которые ему в свое время удалось проделать с другими физиками, и особенно с надменными профессорами. Поэтому Андерсон, вооруженный первым снимком антиэлектрона, страшно боялся, что кто-то его просто разыграл. Шутнику достаточно было вставить дополнительное зеркало перед автоматизированной камерой Андерсона, и траектория электрона на снимке загнулась бы в противоположную сторону. Так что Андерсон снова тщательно проверил фото и даже сравнил его на всякий случай с внешним видом аппарата, чтобы убедиться, что снимок настоящий. В итоге все же опубликовал его – и вошел в историю.

В 1933 году Дирак получил Нобелевскую премию за то, что тогда называли теорией электронов и позитронов. В своей нобелевской лекции он объяснил, что, собственно, сделал, но ни разу не упомянул ни Вейля, ни Оппенгеймера, ни Андерсона.

Возрожденный эфир

После Эйнштейна и до Дирака вакуум рассматривался как пустое пространство. Эйнштейн показал, что движение по отношению к абсолютному пространству необнаружимо, так что нет смысла и говорить о строении того, чего нет. Казалось, эфир тихо умер и пропал из лексикона физиков. Вакуум – это отсутствие чего бы то ни было; как число нуль, он не существует. Затем Дирак объявил, что вакуум до отказа набит электронами с отрицательной энергией. Получалось, что в нем не только присутствуют какие-то составные части; он к тому же обладает бесконечным отрицательным зарядом и бесконечной же отрицательной энергией.

Несмотря на обнаружившуюся вдруг структуру вакуума, измерить движение сквозь него по-прежнему было невозможно. Теория Дирака была выстроена в рамках математического аппарата, связанного с теорией относительности Эйнштейна, и движение по отношению к заполненному до отказа морю электронов с отрицательной энергией оказывалось необнаружимым. В определенном смысле возродился старый добрый эфир. Более того, возможно, именно это бесконечное море обеспечивало среду, колебания которой обусловливали распространение света. Электромагнитные волны были аналогичны океанским, только двигались не по воде, а по бесконечному морю электронов с отрицательной энергией.

На курсе электромагнетизма в Колумбийском университете меня учили, что эфира не существует, что была доказана ненужность и бессмысленность этой концепции, после чего ученые от нее отказались. Но позже, в аспирантуре Калифорнийского университета в Беркли мой профессор Эйвинд Вихман (тот самый, кто предложил использовать в эксперименте Фридмана−Клаузера кальций) отмечал с улыбкой, что эфир никогда и никуда не уходил из физики; его просто переименовали. Сегодня мы называем его вакуумом.

Если почитать про вакуум в учебнике физики для аспирантов, выяснится, что это гораздо более сложная штука, чем эфир Максвелла. Вакуум лоренц-инвариантен, а это означает, что, двигаясь сквозь него, заметить его невозможно; вакуумного «ветра» не существует. Вакуум содержит энергию. Он может быть поляризован, то есть реагирует на электрическое поле разделением своих «виртуальных» зарядов. Поляризацию можно выявить и измерить, посмотрев на энергетические уровни в атоме водорода (посредством явления, известного как лэмбовский сдвиг[231]); можно также зарегистрировать ее непосредственно по силе, с которой вакуум воздействует на металлические пластины (эффект Казимира[232]). В настоящее время считается, что вакуум постоянно порождает вещество и антивещество, которые почти мгновенно аннигилируют – за исключением случая, когда все это происходит вблизи черной дыры. Эта особенность приобрела существенное значение в теории излучения черной дыры Стивена Хокинга (излучение Хокинга), представляющей собой эвристическое объяснение излучения. Согласно этой теории, сильное гравитационное поле вблизи поверхности Шварцшильда разделяет возникающие там фоновые пары частиц и античастиц прежде, чем они успеют аннигилировать; одну из частиц пары оно всасывает внутрь черной дыры, вторую излучает в бесконечность.

Современная концепция вакуума рассматривает его как материальный объект. Он не движется (по крайней мере, обнаружить это невозможно), но может расширяться, и это весьма важно для понимания Большого взрыва. Вакуум содержит постоянное поле Хиггса; оно заполняет все пространство целиком и отвечает за придание частицам их массы. Он содержит также темную энергию, ответственную за ускорение расширения Вселенной. В общем, вакуум устроен намного сложнее, чем придуманный Максвеллом набор колес и шестеренок.