PRO Антиматерию

Когда вы нажимаете педаль газа в своем автомобиле, он набирает скорость, приобретая энергию движения, или кинетическую энергию. Энергия не приходит из ничего. В процессе участвует сгорание топлива, которое высвобождает энергию, заключавшуюся внутри топлива, и она превращается в такое же количество кинетической энергии. Нажмите на тормоз – и движение автомобиля замедляется, кинетическая энергия снижается. Эта энергия не исчезла, но превратилась в тепло в тормозах и шинах, а возможно, и звук, если вы тормозили резко. В конце концов автомобиль останавливается. Кинетическая энергия равна нулю, но все еще остается довольно большое количество потенциально доступной энергии, которая заключена в бензобаке. Даже если бензобак пуст, то большое количество энергии заключено (или поймано в ловушку – как вам нравится) в тс² атомов, из которых состоите вы и ваш автомобиль, и вы можете использовать часть вашей тс², чтобы придать вашему автомобилю какую-то кинетическую энергию, например, толкая его.

Идея замены одного варианта положительной энергии на другой – это то, что подпитывает индустриальное общество. В том, чем индустриальное общество и люди, живущие в нем, занимаются каждый день, нет признаков отрицательной энергии. Так что же означают решения, связанные с отрицательной энергией, для электрона?

Если электроны могут иметь отрицательную энергию, можно ожидать, что электроны в материи могут спонтанно снижать свою энергию, переходя в одно из состояний с отрицательной энергией. Поскольку это делает материю нестабильной, тот факт, что мы вообще находимся здесь, как кажется, подразумевает, что теория электрона Дирака неправильная, не может быть никакой отрицательной энергии. Но Дирак поразительно использовал тот факт, что материя стабильна, для интерпретации состояний с отрицательной энергией! Чтобы это понять, нужно оценить поразительную регулярность атомных элементов, которую обнаружил русский химик Дмитрий Менделеев и отразил в своем периодическом законе химических элементов.

У некоторых элементов имеются очень похожие свойства, эти сходства повторяются, или возвращаются, «периодически», если составить список элементов в порядке увеличения атомной массы. Примеры свойств, которые повторяются периодически, – это химическая инертность газов гелия, неона и аргона; у металлов это сродство к воде, например у натрия и магния; а в случае высокореактивных элементов фтора, хлора и йода сродство к воде дает кислоты. Эти сходства известны уже на протяжении многих веков. Периодическая таблица элементов Менделеева раскрыла их периодичность, но объяснила их квантовая механика.

Электроны во всех атомах идентичны. Разница между одним вариантом атомного элемента и другим состоит в разном количестве электронов, которые вращаются вокруг центрального ядра (и, конечно, количестве протонов в этом ядре). Как мы видели, эти электроны не могут отправляться туда, куда им хочется, вместо этого законы квантовой механики ограничивают их, определяя несколько определенных путей, или «квантовые состояния». Модели доступных путей по мере добавления большего количества электронов и, соответственно, продвижения по таблице элементов, повторяются, причем цикл этот регулярный, и периодическая схожесть следующих элементов тоже повторяется. Квантовая теория объясняет это как следствие фундаментального правила, известного как принцип исключения. По сути, электроны напоминают кукушек, когда две в одном гнезде – это слишком много, одна получается лишней. А если выразиться сухим языком квантовой механики, то: никакие два электрона из одной и той же совокупности не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии.

Дирак понял, что это уравнение подразумевает: электроны могут иметь отрицательную энергию, и использовал этот принцип исключения как основу своей блестящей идеи. Он предположил: то, что мы называем вакуумом, не является пустым, а скорее напоминает бездонную яму, и в нее спускается лестница. Каждая ступенька этой лестницы соответствует возможному квантовому состоянию, месту, где находится электрон. Верх лестницы соответствует нулевой энергии, а все ступеньки ниже являются возможными состояниями электрона с отрицательной энергией. Дирак считал, что если все эти отрицательные уровни уже заполнены, то никакие электроны не могут упасть в щель с отрицательной энергией, и таким образом материя остается стабильной. То, что мы называем «вакуумом», напоминает глубокое спокойное море, которое никто не замечает, пока ничто не нарушает его покой. Заполненное море – это базовый уровень, относительно которого определяются все энергии. «Уровень моря» Дирака определяет нулевую энергию.