Звездочёты. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

и той же проблемой. Гейзенберг преуспел там, где у меня были неудачи. К тому времени накопилось огромное количество спектроскопического материала, и Гейзенберг нашел правильный путь в его лабиринте. Сделав это, он дал начало золотому веку теоретической физики…»

За несколько лет молодой Дирак опубликовал ряд статей, которые вместе с работами Гейзенберга и Шрёдингера стали основой новой квантовой механики. Один из результатов Дирака оказался особенно впечатляющим. Он пытался получить релятивистское уравнение для электрона…

– Что такое релятивистское уравнение? – спросила Галатея.

– Это уравнение, которое описывает движение тел при самых больших скоростях, хотя и меньших, чем скорость света. Ведь ни одному материальному телу, в том числе электрону, теория относительности не разрешает обгонять свет. Нерелятивистскими уравнениями являются уравнения, например динамики Ньютона, которые описывают движение тел со скоростями, гораздо меньшими, чем скорость света.

В то время релятивистского уравнения для электрона не существовало. Дирак вспоминал: «…при согласовании квантовой механики с теорией относительности возникли трудности. Я был очень озабочен ими в то время, но других физиков по какой-то непонятной мне причине эти проблемы совершенно не волновали».

Дирак долго не мог получить нужную формулу. Он писал: «В течение нескольких месяцев эта задача оставалась нерешённой, и ответ возник совершенно неожиданно, явив собой один из примеров незаслуженного успеха».

– Как это «неожиданно»? И почему этот успех Дирак называет незаслуженным? – спросила Галатея.

– Дирак скромничает. Неожиданный успех приходит лишь к тому, кто много знает и долго думает над задачей. Неожиданным бывает только конкретное решение, вдруг озаряющее проблему, когда все кусочки головоломки встают на свои места, приводя к совершенно новой картине мира. Незаслуженным такой успех может назвать только скромный человек, который испытывает глубокое благоговение перед красотой мира. А Дирак был именно таким. Когда природа открывает скромным учёным свои великолепные секреты, то они могут считать это счастье незаслуженным.

Дирак часто повторял, что уравнения должны быть красивыми и что красивая теория имеет гораздо больше шансов быть правильной. В итоге своих размышлений Дирак получил уравнение, которое сейчас называется уравнением Дирака. Это уравнение описывало электрон и его спин…

– Что такое спин? – перебила Галатея.

– Это одновременно и простой, и сложный вопрос.

Если рассмотреть электрон как обычный вращающийся шарик, то его вращение и называется спином.

– Это просто! – согласилась Галатея.

– Да, но если мы припишем шарику-электрону обычный радиус электрона, то получится, что его экваториальные области вращаются быстрее скорости света.

– Что теория относительности запрещает! – вспомнил Андрей.

– Верно. Значит, представлять электрон как простой вращающийся шарик нельзя. Поэтому физики до сих пор плохо понимают, что и как в нём вращается.

– Это всё усложняет, – сказала Галатея и прищурилась, вглядываясь в глубины таинственно вращающегося электрона.

– Вернёмся к уравнению Дирака. Оно прекрасно описывало электрон со спином, но неожиданно дало дополнительное решение – с формально отрицательной энергией электрона. Можно было объявить такое решение нефизическим, но уравнение Дирака указывало на определённую вероятность перехода между состояниями с положительной и отрицательной энергиями. И тут перед Дираком, как перед любым учёным в таком положении, встала дилемма…

– Что такое дилемма? – не утерпела Галатея.

– Развилка дорог или необходимость выбора одного из двух вариантов. Одним из вариантов, который обдумывал Дирак, было отбрасывание уравнения, противоречащего традиционным взглядам, как неправильного – и поиск другого уравнения. Второй вариант предполагал, что уравнение правильно, а традиционные взгляды неверны. Такой подход требует от учёного смелости, и, как оказалось, Дирак ею обладал. Его кредо: «Посвящая себя исследовательской работе, нужно стремиться сохранять свободу суждений и ни во что не следует слишком сильно верить; всегда надо быть готовым к тому, что убеждения, которых придерживался в течение долгого времени, могут оказаться ошибочными».

Дирак смело решил, что его уравнение правильно и что существует новая частица – антипод электрона. Он интерпретировал своё решение так: в вакууме есть море частиц с отрицательной энергией – его впоследствии стали называть морем Дирака. Эти частицы невидимы и почти не влияют на второй мир частиц с положительной энергией. Если невидимому электрону из моря Дирака сообщить значительную энергию, то он перейдёт в видимое состояние с положительной энергией и станет обычным электроном. А на его месте в возмущенном море невидимых частиц появится «дырка», которая будет точной копией электрона, рождённого из моря Дирака, но, в отличие от него, заряженной положительно. Если электрон столкнётся с «дыркой», они «аннигилируют» – уничтожатся, сбросив свою энергию в виде пары квантов света и оставив море Дирака невозмущённым.

Учёные отнеслись к концепции Дирака скептически. – Их можно понять! – заявила Галатея.

– Но их мнение резко изменилось, когда американец Карл Андерсон экспериментально обнаружил новую частицу – позитрон, во всём похожую на электрон, но заряженную положительно. Когда позитрон сталкивался с электроном, обе частицы исчезали, оставляя после себя два кванта света с энергией, которая была точно равна энергии аннигилировавшей пары частиц.

– То есть Дирак открыл новую частицу, посмотрев не в микроскоп, а на уравнение? – удивилась Галатея.

– Да. Более того, уравнение Дирака привело к новой картине мире, в котором каждая элементарная частица имеет свою античастицу, с которой она при соприкосновении аннигилирует, то есть уничтожается с выделением энергии. Обратное тоже верно: если приложить достаточное количество энергии, то из моря Дирака родится пара из обычной частицы и её античастицы. То есть Дирак удвоил число частиц в нашем мире, фактически открыл мир-двойник из античастиц.

– Значит, во Вселенной есть античастицы, антиатомы и антипланеты, на которых живёт анти-Галатея? – с восторгом спросила Галатея, которая уже стала прикидывать, как ей написать электронное – вернее, позитронное – письмо своему антиподу.

– Античастицы есть, антиатомы тоже. А вот с антимирами и антидевочками – проблема. Астрономы не нашли миры из антивещества! Редкий случай, когда законы микромира вроде бы диктуют симметричность рождения частиц и античастиц, а в космосе наблюдается резкая асимметрия в пользу обычного вещества. Теоретики пришли к выводу, что античастицы рождаются с немного меньшей вероятностью, чем частицы. Поэтому в процессе эволюции Вселенной появился избыток обычного вещества и именно из него сформировались звёзды, планеты и девочки.

В картине мира, по Дираку, утратила своё значение концепция элементарности частиц. Поиск самых маленьких и неделимых частичек материи стал бессмысленным. Гейзенберг писал: «Единственными процессами, в которых можно было бы ожидать расщепления элементарных частиц, являлись их столкновения при очень высоких энергиях…эксперименты показали, что при соударении двух частиц высокой энергии действительно может появиться множество других частиц; однако они совсем не обязательно являются более мелкими, чем частицы сталкивающиеся. Наоборот, оказывается, что независимо от природы последних рождаются частицы всегда одних и тех же