Чтобы сформировать математический аппарат, необходимый для описания электрона, движущегося на релятивистских скоростях, Дираку пришлось ввести совершенно новый формализм, в котором для описания электронов использовались четыре различные величины.
Насколько мы, физики, можем судить, электроны представляют собой микроскопические точечные частицы нулевого, по существу, радиуса. Тем не менее в квантовой механике они ведут себя как вращающиеся волчки и поэтому обладают тем, что физики называют угловым моментом, или моментом импульса, а для краткости – спином. Момент импульса выражает тот факт, что объект, если уж он начал вращаться, не остановится, пока вы не приложите к нему некоторую силу, тормозящую вращение. Чем быстрее объект вращается или чем он массивнее, тем больше у него момент импульса.
Как ни печально, не существует классического способа представить, как точечный объект, подобный электрону, может вращаться вокруг своей оси. Поэтому спин – одна из тех областей, где квантовая механика попросту не имеет интуитивно понятного классического аналога. В предложенном Дираком релятивистском расширении уравнения Шрёдингера электроны могут обладать только двумя возможными значениями момента импульса, который мы называем просто спином электрона. Можно считать, что электроны вращаются либо вокруг одного направления (можно назвать его «вверх»), либо вокруг противоположного ему (можно назвать его «вниз»). Поэтому для описания различных конфигураций электронов требуется две величины: одна для электронов с положительным спином (условно направленным вверх), другая для электронов с отрицательным спином (условно направленным вниз).
После некоторой первоначальной путаницы стало ясно, что еще две величины, необходимые Дираку для описания электронов в релятивистском варианте квантовой механики, описывают, на первый взгляд, что-то безумное – другую версию электрона с той же массой и спином, но с противоположным электрическим зарядом. Если электроны, по соглашению физиков, имеют отрицательный заряд, то эти новые частицы должны были иметь положительный заряд.
Дирак был в замешательстве. Подобных частиц никто никогда не наблюдал. В момент отчаяния Дирак даже предположил, что, может быть, эта положительно заряженная частица на самом деле является протоном, однако масса протона, как известно, почти в две тысячи раз превосходит массу электрона. Он даже привел кое-какие не слишком убедительные аргументы, пытаясь объяснить, почему эта положительно заряженная частица может обладать большей массой. Так, он предполагал, что больший вес вызван различными возможными электромагнитными взаимодействиями частицы с пустым вроде бы пространством, которое, как он считал, может быть населено потенциально бесконечным морем ненаблюдаемых частиц. На самом деле это утверждение не так безумно, как кажется, но попытка объяснить почему, завела бы нас в те самые дебри, которых мы хотим здесь избежать. В любом случае удалось быстро показать, что эта идея не работает. Во-первых, потому, что математика этого не подтверждает и новые частицы все же должны иметь ту же массу, что и электроны. Во-вторых, если бы протон и электрон были в некотором смысле зеркальными частицами, они бы аннигилировали друг с другом – и тогда обычное нейтральное вещество не могло быть стабильным. Дирак вынужден был признать, что если его теория верна, то где-то в природе должна существовать новая положительная версия электрона.
К счастью для Дирака, менее чем через год после его вынужденной капитуляции Карл Андерсон обнаружил в космических лучах частицы, идентичные электронам, но с противоположным зарядом. Так появился на свет позитрон, и люди слышали, как Дирак сказал в ответ на замечание по поводу его нежелания сделать выводы, прямо следующие из его же собственных математических выкладок: «Мое уравнение оказалось умнее меня!» Много позже он, говорят, дал другое объяснение тому, что не признал в свое время возможность существования новой частицы: «Чистая трусость».
«Предсказание» Дирака, хоть и сделанное практически против его воли, стало замечательной вехой. Впервые на базе чисто теоретических представлений и математических выкладок была предсказана новая частица. Подумайте об этом.
Максвелл в свое время в результате проведенного им объединения электричества и магнетизма «предсказал» задним числом существование света. Леверье предсказал существование Нептуна на базе наблюдений за аномалиями орбиты Урана. Но теперь перед нами было предсказание нового фундаментального свойства Вселенной на базе чисто теоретических рассуждений об устройстве природы на ее фундаментальнейших масштабах, без всякой предварительной прямой экспериментальной мотивации. В принципе могло показаться, что это достижение – вопрос веры, но на самом деле ни о какой вере здесь речи не шло – в конце концов, сам предсказатель в это не поверил, – и хотя, подобно вере, оно предсказывало некую ненаблюдаемую реальность, в отличие от веры, эту предсказанную реальность можно было экспериментально проверить; по идее, предсказание легко могло оказаться ошибочным.
Открытие Эйнштейном теории относительности совершило настоящую революцию в наших представлениях о пространстве и времени, а открытия Шрёдингера и Гейзенберга, связанные с законами квантовой механики, революционно изменили наши представления об атоме. Дирак первым сумел совместить то и другое и получил новое окно в скрытую природу вещества на куда меньших масштабах. Его успех ознаменовал собой начало современной эпохи в физике элементарных частиц и задал тренд, продолжавшийся почти столетие.
Во-первых, если уравнение Дирака считать применимым в более общем случае и к другим частицам, – а оснований считать, что это не так, не было никаких, – то «античастицы» (как их позже стали называть) должны иметься не только у электронов, но и у всех остальных известных в природе частиц.
Антивещество стало популярной темой научной фантастики. Звездные корабли, такие как «Энтерпрайз» в «Звездном пути», неизменно использовали антивещество в качестве топлива, а возможность создания бомб из антивещества стала самой глупой составляющей сюжета мистического триллера «Ангелы и демоны». Но само по себе антивещество реально. В космических лучах были обнаружены не только позитроны, но позже и антипротоны, и антинейтроны.
На фундаментальном уровне антивещество не представляет собой ничего особенно странного. В конце концов, позитроны точно такие же, как электроны, только заряд имеют противоположный. Они не «падают вверх» в гравитационном поле, как многие думают. Вещество и антивещество действительно могут взаимодействовать и полностью аннигилировать в чистое излучение, что выглядит как-то зловеще. Но аннигиляция по схеме частица-античастица всего лишь один из множества новых возможных видов взаимодействия элементарных частиц, которые могут иметь место, если уж мы проникаем в субатомное царство. Более того, потребовалось бы немало антивещества, чтобы энергия, полученная при его аннигиляции с веществом, хотя бы зажгла лампочку.
Однако именно в этой обычности как раз и кроется реальная странность антивещества. Его можно уверенно назвать странным, потому что Вселенная, в которой мы живем, наполнена веществом, но не антивеществом. Вселенная из антивещества выглядела бы точно так же, как наша. А вселенная, состоящая из вещества и антивещества в равных долях, что на первый взгляд, конечно, представляется самым разумным ее устройством, довольно скоро (если в промежутке не произошло бы ничего необычного) стала бы весьма скучным местом, поскольку вещество и антивещество быстро аннигилировали бы друг с другом и в такой вселенной не осталось бы ничего, кроме излучения.
