Искусственное солнце

В конце 20-х годов за эту нелегкую задачу взялся молодой английский теоретик Поль Дирак. И он добился успеха: сумел сформулировать уравнение, связавшее квантовомеханические и релятивистские — налагаемые теорией относительности — условия движения частиц. Так было положено начало новейшей области физического знания — релятивистской квантовой теории.

Уравнение Дирака—коротенькая строчка мудреных математических символов — таило в себе замечательные откровения. И как надежный конь вывозит к жилью заблудившегося в лесу путника, так цепь математических выкладок привела Дирака к неожиданным выводам о физической картине нашего мира. Чтобы хотя бы упрощенно уяснить логику этих выводов, придется начать издалека, не избежав нескольких простеньких формул.

Все рассуждения, которые нам предстоит провести, покоятся на необычном математическом соотношении, которое теория относительности выводит для энергии — самой важной характеристики движения частиц.

Мы приводили уже последнюю формулу в главе «Свет и мир», рассказывая о гигантских запасах энергии, скрытой в веществе.

Но мы тогда не отметили важной особенности эйнштейновского соотношения — того, что энергия в нем выражена не существенно положительной величиной, как в классической механике, а, как ни странно, квадратным корнем. И это совсем не мелочь.

Вы, несомненно, помните из школьных уроков алгебры, что любой квадратный корень имеет перед собой два знака: плюс и минус (так, как и два положительных и два отрицательных сомножителя дают положительное произведение).

Первый знак перед корнем — плюс — понятен. Всякое тело — будь то электрон, или атом, или планета, или звезда — обладает энергией, большей нуля. Это логично и естественно, это мы знаем из собственного опыта, из повседневной практики.

А второй знак— минус? Откуда он взялся?

Тут положение сложное.

ЗАПРЕЩЕННЫЙ ПЕРЕХОД

Отрицательная энергия для физических тел, казалось бы, невозможна. Наделенная ею частица вела бы себя крайне нелепо: она обладала бы отрицательной массой. Ведь квадрат скорости—всегда положительная величина.

Эта необыкновенная частица с отрицательной массой являла бы собой немыслимый рекорд упрямства. После толчка вперед она двигалась бы... назад! Знаменитый ньютоновский закон о пропорциональности силы и ускорения приобрел бы для нее обратный смысл.

Выстрел из лука стрелой, наделенной отрицательной энергией, был бы равносилен самоубийству: стрела вонзилась бы в стрелка.

Впрочем, реальность тел с отрицательной энергией вызывает сомнение не только потому, что трудно постичь парадоксы их поведения. Недоумение усугубляется здесь еще более важными соображениями.

Вот летит электрон. Замедлим его полет — энергия движения снизится. Остановим частицу — энергия движения исчезнет, но останется запас энергии, связанный с массой покоя. По Эйнштейну, этот запас, как вы помните, равен т_ос² ,что для электрона составляет значительную величину — 508 тысяч электроновольт.

Можно ли дальше уменьшать энергию электрона? Можно, но очень незначительно. Поместив неподвижную частицу в сильное электрическое поле положительного заряда, мы заставим электрон отдать малую долю энергии на связь с полем. Масса электрона и запас в нем энергии станут чуть-чуть меньше. Но на этом наши возможности как будто исчерпываются. Ни классическая физика, ни теория относительности не позволяют довести энергию электрона до «настоящего» эйнштейновского нуля и тем более до значений еще меньших, чем нуль. Никаких способов перехода в парадоксальную область отрицательных энергий они не знают,

Значит ли это, что подобный переход вообще невозможен?

ЭНЕРГИЯ, КОТОРАЯ ״СКАЧЕТ“

Дирак твердо верил в правильность теории относительности. Он не допускал и тени недоверия к математическому аппарату, который привел к таким парадоксальным заключениям. Почему же тогда и :классика и та же теория относительности категорически запретили переход через нуль энергии? Почему они закрыли этот путь непроходимой стеной? Ведь из наложенного запрета следовало, что отрицательные энергии хоть и мыслимы теоретически, но на практике недостижимы.

И ученый доказал, что подобный вывод ошибочен: представление о непроходимости запретной зоны составилось без учета квантовомеханических особенностей микропроцессов.

Как вы помните, квантовая механика — мастерица преодолевать непреодолимое. И, войдя составной частью в теорию Дирака, она сделала возможным то, что без нее выглядело недопустимым.

Чтобы лучше пояснить это, привлечем на помощь несложный чертеж и — да простит нам терпеливый читатель! — поведем разговор в чуть-чуть более серьезном тоне.