малую долю энергии на связь с полем. Масса электрона и запас в нем энергии станут чуть-чуть меньше. Но на этом наши возможности как будто исчерпываются. Ни классическая физика, ни теория относительности не позволяют довести энергию электрона до «настоящего» эйнштейновского нуля и тем более до значений еще меньших, чем нуль. Никаких способов перехода в парадоксальную область отрицательных энергий они не знают,
Значит ли это, что подобный переход вообще невозможен?
Дирак твердо верил в правильность теории относительности. Он не допускал и тени недоверия к математическому аппарату, который привел к таким парадоксальным заключениям. Почему же тогда и :классика и та же теория относительности категорически запретили переход через нуль энергии? Почему они закрыли этот путь непроходимой стеной? Ведь из наложенного запрета следовало, что отрицательные энергии хоть и мыслимы теоретически, но на практике недостижимы.
И ученый доказал, что подобный вывод ошибочен: представление о непроходимости запретной зоны составилось без учета квантовомеханических особенностей микропроцессов.
Как вы помните, квантовая механика — мастерица преодолевать непреодолимое. И, войдя составной частью в теорию Дирака, она сделала возможным то, что без нее выглядело недопустимым.
Чтобы лучше пояснить это, привлечем на помощь несложный чертеж и — да простит нам терпеливый читатель! — поведем разговор в чуть-чуть более серьезном тоне.
В чем сущность «непреодолимости» этой «стены»? В том, что классическая и релятивистская теории требуют ее непрерывного прохождения. Вся стена должна быть преодолена точка за точкой насквозь, без всяких скачков, ибо специфика этих теорий приписывает природным процессам строгую непрерывность, нетерпимость к скачкообразным переменам состояния объектов. Именно поэтому классическая частица, пытающаяся проникнуть через запретную полосу к отрицательным энергиям, обязана сначала остановиться, а затем уменьшать свою энергию с помощью каких-то неправдоподобно могучих силовых полей. Но столь сильных полей в природе нет. Следовательно, у классических тел нет возможности непрерывно снижать свою энергию даже до нуля, не говоря уже о дальнейшем переходе в отрицательную область.
Иное дело в квантовой механике. На смену непрерывности она ставит прерывистость изменения состояния частиц. Через «непреодолимую» стену открывается возможность как бы перескочить «на ходу», без остановки, минуя запретные промежуточные состояния, где частица должна была бы находиться в поле несуществующих сверхъестественно огромных сил. Характер такого «перескока» чем-то напоминает квантовые «чудеса» «лыжников-кудесников», которые, как вы помните из главы «Право сиять», прекрасно «просачивались через горы».
Итак, в стене между положительными и отрицательными энергиями квантовая механика прорубила широкие ворота.
Читателю, вероятно, памятна важнейшая физическая причина, вызывающая к жизни природные процессы: стремление систем тел к устойчивости, к состояниям с наименьшей потенциальной энергией. В конечном итоге именно из-за этого возгораются звезды, светит Солнце, падает на Землю камень. Но если в классической физике нижний предел энергии представлялся нулем, то в теории Дирака он опустился в бездонную пропасть отрицательных величин. А раз так, то получалась нелепость: стремясь к устойчивости и опускаясь поэтому сколь угодно далеко вниз по энергетической диаграмме (через «люк», проделанный квантовой механикой), электрон обретал способность выделять бесконечно большое количество энергии, неведомо откуда взявшейся. Да и вообще при разрешенных отрицательных энергетических состояниях электрон не смог бы пребывать в состояниях с положительной энергией. Стремление к устойчивости заставило бы его, по квантовым законам, «упасть» вниз — в отрицательную область.
Но тогда встает законный вопрос: почему же электроны окружающего нас вещества не «проваливаются» в эти «тартарары» релятивистской квантовой теории? Ведь все мы, все, что нас окружает, построено из частиц, среди которых есть электроны только положительных энергий!
Дирак ответил на это недоумение весьма остроумным, но рекордно фантастическим предположением.
Мир устроен так, заявил ученый, что все отрицательные энергетические уровни уже заполнены электронами.
Все пространство Вселенной битком набито ими. Электронам положительных энергий попросту некуда «провалиться». Они представляют собой как бы «непровалившийся остаток», которому «не хватило места».
Трудно заставить себя согласиться с такой идеей. Никогда нигде не обнаруживались «провалившиеся» электроны, энергия которых меньше, чем нуль. А ведь их, по Дираку, неизмеримо больше, чем обычных электронов положительных энергий — земных, солнечных, звездных.
Где же эти странные частицы, которыми Вселенная должна быть буквально утрамбована? Почему они незаметны?
Дираку оставалось допустить, что электроны отрицательных энергий... ненаблюдаемы! Бесчисленное их количество ощущается нами, как пустота, как вакуум, как место, в котором ничего нет!
Подумайте только! Пустяковая, казалось бы, вещь: немудрящий квадратный корень, лишний знак перед математическим выражением энергии небывало усложнили, перевернули вверх дном ясные, привычные, веками устоявшиеся представления о том, что кажется проще всего на свете, — о пустоте!
Как бы оригинальна и интересна ни была научная идея, никто из специалистов не отнесется к ней серьезно, если она не укажет путей собственной экспериментальной проверки, не предскажет открытия неведомых прежде фактов. Чем же Дирак предполагал обосновать свои смелые мысли?
Прежде всего он отметил, что ненаблюдаемый физический объект — не такая уж необыкновенная вещь.
Возьмите к примеру обычный атом. Ведь и там электроны не наблюдаются непосредственно (без вмешательства извне). Нет ни одного эксперимента, который прямо отметил бы движение их внутри электронных оболочек» не нарушая этого движения. Но мы твердо убеждены в существовании этих невидимых частиц, ибо свое присутствие они проявляют, например, при перескоках с одной орбиты на другую, при изменениях энергетического состояния. В этих случаях электроны атома создают электромагнитное излучение. Вообще без передачи и преобразований энергии немыслимы никакие процессы, опыты, наблюдения. А отсюда вывод: чтобы хотя бы косвенно обнаружить материальную структуру пустоты, надо попытаться каким-то способом изменить в ней энергетическое состояние ненаблюдаемых частиц.
Естественным логическим развитием этих соображений была идея проверки релятивистской квантовой механики путем «удара в пустоту».
Поскольку всюду вокруг нас и в нас самих — бесчисленное множество совершенно неощутимых электронов отрицательных энергий, то имеет смысл попробовать какой-либо из них так сильно обогатить энергией, чтобы он перескочил с ненаблюдаемого отрицательного энергетического уровня на обычный— положительный. Видимо, для этого ему придется сообщить энергию больше, чем полная ширина запретной зоны, то есть больше миллиона электроновольт. Только тогда он перепрыгнет запрещенные состояния
