Первооткрыватель антивещества

Что такое антивещество? Представляется странным, что природа без всяких видимых причин удвоила число элементарных частиц во вселенной. Как правило, природа очень экономна — но в отношении пары вещество-антивещество она, похоже, повела себя в высшей степени расточительно. Кроме того, возникает еще один вопрос: если существует антивещество, может быть, существуют и антивселенные?

Чтобы поискать ответы на эти вопросы, нам придется разобраться в истории самого антивещества. Открытие его относится еще к 1928 г., к новаторским работам Поля Дирака, одного из самых блестящих физиков двадцатого столетия. Он занимал лукасовскую кафедру в Кембриджском университете — ту самую, которую в свое время занимал Ньютон и которую в настоящее время занимает Стивен Хокинг. Дирак родился в 1902 г.; он был молодым человеком, высоким и жилистым, когда в 1925 г. разразилась квантовая революция. В этот момент Дирак изучал электротехнику, но волна интереса, разбуженного новой теорией, захватила его и навсегда изменила его жизнь.

Квантовая теория базируется на представлении о том, что частицу вроде электрона можно описать не только как точечный объект, но и как некую волну, отвечающую знаменитому волновому уравнению Шрё'дингера. (Волновая функция представляет вероятность нахождения частицы в конкретной точке.)

Но Дирак быстро понял, что уравнение Шрёдингера имеет серьезный недостаток. Оно описывает только медленно движущиеся электроны. На более высоких скоростях уравнение перестает действовать, так как не подчиняется законам относительности Альберта Эйнштейна — а ведь именно эти законы описывают поведение объектов на высоких, околосветовых скоростях.

Юному Дираку сразу захотелось так переформулировать уравнение Шрёдингера, чтобы попытаться включить в него и законы теории относительности. В 1928 г. молодой ученый предложил свой вариант уравнения Шрёдингера — достаточно радикальную его модификацию, которая в полной мере соответствовала теории относительности Эйнштейна. Ученый мир был потрясен. Дирак отыскал свое знаменитое релятивистское уравнение для электрона путем чисто математических манипуляций с высшими математическими объектами, известными как спиноры. Внезапно математическая диковинка оказалась центральной фигурой во всей Вселенной. [До Дирака многие физики были убеждены, что великие открытия в физике должны стоять на прочной базе экспериментальных данных, но Дирак выбрал противоположную стратегию. Для него чистая математика — если, конечно, она была достаточно красива — служила путеводной звездой на пути к великим открытиям. Он писал: «Красота уравнений важнее, чем их соответствие экспериментальным данным... представляется, что если стремишься получить в уравнениях красоту и обладаешь здоровой интуицией, то ты на верном пути».)

Работая над новым уравнением для электрона, Дирак обнаружил, что прославленное уравнение Эйнштейна, Е = mc², не совсем верно. Это уравнение верно лишь отчасти, несмотря на то что его можно увидеть повсюду: на рекламах Мэдисон-авеню и на детских футболках, в мультиках и на костюмах супергероев. Верное уравнение выглядит так: Е = ±mc². (Минус возникает потому, что в процессе вывода нам приходится брать квадратный корень из определенной величины. А операция взятия квадратного корня всегда привносит в выражение неопределенность в знаке.)

Но физики не выносят отрицательной энергии. В физике существует аксиома, согласно которой объекты всегда стремятся к состоянию с минимальной энергией (именно поэтому вода всегда стремится к минимальному уровню, уровню моря). А если материя всегда стремится к состоянию с минимальной энергией, то перспектива появления отрицательной энергии чревата поистине катастрофическими последствиями. Присутствие во Вселенной отрицательных энергий означало бы, что все электроны со временем провалятся к бесконечным отрицательным энергиям — а это, в свою очередь, означало бы, что теория Дирака нестабильна. Пытаясь избежать этого, Дирак изобрел концепцию «моря Дирака». Он предположил, что все состояния с отрицательными энергиями уже заняты, поэтому электрон никак не может туда провалиться. Следовательно, Вселенная стабильна. Кроме того, иногда гамма-квант, столкнувшись случайно с электроном, пребывающим в состоянии с отрицательной энергией, выталкивает его «наверх», в состояние с положительной энергией. Тогда мы видим, как гамма-квант превращается в электрон, а в море Дирака возникает дырка. Эта дырка должна вести себя как пузырек в вакууме: обладать положительным зарядом и массой, равной массе первоначального электрона. Другими словами, дырка должна вести себя как антиэлектрон. Иначе говоря, в этой картине мира антивещество состоит из «пузырьков» в море Дирака.

Всего через несколько лет после этого поразительного предсказания Карл Андерсон действительно обнаружил антиэлектрон, и в 1933 г. Дирак получил за свое предсказание Нобелевскую премию.

Другими словами, антивещество существует потому, что уравнение Дирака имеет два варианта решений — одно для вещества, другое для антивещества. (А это, в свою очередь, есть следствие специальной теории относительности.)

Уравнение Дирака предсказывает не только существование антивещества; оно предсказывает также существование у электрона «спина». Элементарные частицы могут вращаться подобно волчку. Спин электрона, к примеру, очень важен для понимания поведения электронов в транзисторах и полупроводниках, которые составляют основу современной электроники.

Стивен Хокинг сожалеет, что Дирак не запатентовал свое уравнение. Он пишет: «Дирак сделал бы состояние, если бы запатентовал уравнение Дирака. Он получал бы авторский процент с каждого телевизора, плеера, видеоигры или компьютера».

Сегодня знаменитое уравнение Дирака выбито на камне Вестминстерского аббатства, недалеко от могилы Исаака Ньютона. Это, пожалуй, единственное уравнение в мире, удостоенное такой исключительной чести.