Искусственное солнце

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.