Охотники за частицами

А может быть, эта частица вовсе не посторонняя? Может быть, она связана с электроном какими-то пока неведомыми узами? Например, узами братства? Допустим. Но в таком случае поиски обращаются на их возможного родителя. Чем может быть этот родитель?

И снова напряженное раздумье…

Рождается совершенно безумная, на первый взгляд, мысль: электрон и его зеркальный брат совместно рождаются… из пустоты! Пустота, вакуум, как ее называют физики, — вовсе не пуста! Напротив, она до отказа забита электронами! Положительный же двойник электрона — это дырка в заполненной пустоте!

Безумие действительно налицо. Так, во всяком случае, кажется вначале. Но подождем делать такой вывод. Пройдем за Дираком по отвесному пути его рассуждений.

Переполненная пустота

Прислушаемся к беседе, которую ведут сторонник Дирака и еще не обращенный в новую веру его противник.

Говорит сторонник:

— Каким вы назовете пространство, в котором никаким прибором не обнаружить ни одной частицы?

— Ну конечно, совершенно пустым, — отвечает противник.

— А если в этом пространстве есть частицы, которые просто лишены возможности проявить себя, войти в контакт с прибором? Даже если в пространстве полным-полно частиц, вы все равно будете считать его пустым?

— Разумеется! Но позвольте задать вопрос. Как частицы могут лишиться способности взаимодействовать? Если ваши электроны не входят в контакт с измерительным прибором, значит, они и друг с другом не взаимодействуют! Прибор ведь состоит в конечном счете из тех же электронов.

— Правильно.

— Не правильно, а чепуха! Частицы не могут не взаимодействовать, это противоречит самой сущности вещей! — начинает волноваться противник.

— Тоже правильно, — по-прежнему спокойно отвечает сторонник.

— И то правильно, и это правильно? Ничего не понимаю!

— Не волнуйтесь, я вам сейчас объясню. Давайте приложим к куску металла электрическое поле. Пойдет ток, и вы скажете, что в металле есть свободные электроны.

— Верно, — кивает противник.

— А есть ли в металле еще что-нибудь, кроме этих электронов? — спрашивает сторонник.

— Конечно: еще атомы.

— Простите, а как вы это узнали?

— Можно, например, так. Осветим металл рентгеновыми лучами. При высоких энергиях фотоны этих лучей будут вырывать из атомов электроны.

— Значит, при меньшей энергии металл у вас состоит как бы из одних свободных электронов, а увеличили энергию — и появились атомы?

— Конечно, нет! Просто тот вид внутренней структуры, который мы обнаруживаем, зависит от той энергии, с которой мы ее прощупываем.

— Ага! Так почему же вы не хотите понять, что можно взять такую энергию, при которой и пустота обнаружит свою структуру?

Противник снова разводит руками:

— Не понимаю. Пустота — всегда пустота. В ней ничего нет и быть не может.

— Ну, а все же представьте себе пустоту, до отказа забитую электронами. Они ведь не смогут взаимодействовать ни друг с другом, ни с приборами.

— Почему?

— А потому, что это означало бы изменение их энергии. Ведь при взаимодействии одна из частиц всегда что-то теряет из своей энергии, а другая что-то приобретает. И частицы должны занять новые уровни энергии.

— Но где же они могут найти такие уровни? Вы говорите, что все уровни у вас заняты. А как доказал недавно Вольфганг Паули, каждый уровень энергии может быть занят только двумя электронами. Если к ним придет третий, они его не пустят, — недоумевает противник.

— Значит, нет таких свободных уровней?

— Нет.

— Вот потому-то электроны, даже если они сидят в пустоте так же тесно, как сельди в бочке, не могут взаимодействовать друг с другом или с прибором! Но… только до тех пор, пока им не будет сообщена достаточная энергия, чтобы электроны могли выпрыгнуть из пустоты. Как только это произойдет, частицы уже можно будет обнаружить: они приобретают возможность взаимодействовать.

— Что же это за энергия? — начинает понемногу сдаваться противник.

— Давайте сообразим. Электрон должен родиться из пустоты, имея по меньшей мере свою собственную энергию покоя. По закону Эйнштейна эта энергия равна произведению массы покоя электрона на квадрат скорости света.

— Значит, электронам в вакууме надо передать минимум такую энергию?

— Нет, не совсем так. Вы не учли того, что станет с вакуумом после вылета из него электрона. А это надо учитывать.

— A-а, понятно. Учитываю. В заполненной электронами пустоте при этом образуется пустое место. Бр-р-р! Вы меня извините. Говорю, а сам содрогаюсь от своих слов!

Так можно представлять себе «переполненную пустоту» — океан Дирака. Удар по этому океану достаточно энергичным фотоном выбрасывает на берег брызги — электрон, а в пустоте остается дырка — ничуть не менее реальный позитрон. Другими словами, такая картинка изображает превращение гамма-кванта в пару из электрона и позитрона.