«единым махом», как и разрешает квантовая механика. Если теория верна, то таким способом мы совершили бы потрясающий фокус — извлекли бы из вакуума материальную частицу!
Словом, теория Дирака дала вполне конкретное задание физикам-экспериментаторам: с огромной силой ударить по пустоте и... выбить из нее крупиночку вещества!
Неясно было только, чем ударять, каков должен быть этот необыкновенный «молоток», как заставить частицы отрицательных энергий воспринять на себя его удар.
Позднее эти вопросы нашли решение.
Обязанности «молотка», бьющего по пустоте, может выполнить достаточно энергичный фотон — «пуля» света, носитель всепроникающей электромагнитной энергии, А чтобы толчок был воспринят и фотон поглощен, пустоту следует предварительно «положить на наковальню», роль которой способно сыграть какое-нибудь атомное ядро.
Зачем нужна эта «наковальня»?
Молоток-фотон несется в равномерном «киселе» пустоты, заполненной неощутимыми частицами. И фотону не обо что опереться, стукнуться, чтобы передать им энергию. А атомное ядро, попавшееся на пути фотона, воспринимает на себя его импульс. Фотон стукается о поле ядра, словно молот о наковальню, и обретает способность обогатить своей энергией ненаблюдаемый электрон.
Если энергия фотона больше миллиона электроновольт, он, ударив по пустоте, способен так сильно толкнуть ненаблюдаемый электрон вакуума» что тот, совершив, по квантовым законам, «прыжок», превратится в обыкновенный наблюдаемый электрон нашего мира.
А что останется в вакууме?
Там останется освобожденное электроном состояние. Останется дырка! Дырка в пустоте!
Что такое, собственно говоря, дырка?
Отсутствие в чем-то этого самого чего-то.
Дырка в головке сыра — отсутствие сыра в сыре.
А дырка в пустоте? Видимо, это отсутствие в пустоте... пустоты! Дырка в пустоте означает нечто, не являющееся пустотой. Что же именно?
Освободившееся состояние в дираковском фоне электронов отрицательных энергий есть состояние с положительной энергией (отсутствие недостатка есть избыток). Значит, дырка, «просверленная» в вакууме, будет наблюдаема.
Отсутствие отрицательного заряда в ней проявится как наличие положительного заряда. Отсутствие отрицательной массы — как положительная масса.
Другими словами, дырка представит собой материальную частицу, во всем подобную обычному электрону нашего мира, но заряженную положительно.
Теперь мы можем полностью сформулировать предположение о последствиях удара сильным фотоном по вакууму вблизи атомного ядра: из вакуума должны вылететь сразу две материальные частицы — положительный и отрицательный электроны.
И опыт подтвердил это необычайное предвидение.
В 1932 году американский физик К. Андерсон исследовал космические лучи —частицы высоких энергий, которые мчатся к нам на Землю из глубин Вселенной. Работа велась по методу, предложенному известным советским ученым Д. В. Скобельцыным. Камера Вильсона (прибор, в котором протоны и электроны, пролетая, оставляли за собой тонкие следы тумана) была поставлена между полюсами сильного электромагнита. Под влиянием магнитного поля пути частиц в камере искривлялись в разные стороны, в зависимости от знака заряда. И по кривизне, толщине, длине этих туманных линий следопыты-физики могли всесторонне изучить пролетевшие частицы.
В один прекрасный день, просматривая очередную партию фотоснимков следов, Андерсон обратил внимание на необычную картину. Два следа, соответствующих по толщине электронным, выходили из одной точки и загибались в разные стороны. Получалось, что частицы несли на себе разные по знаку, но одинаковые по величине электрические заряды.
Вскоре репродукция странной фотографии попала на страницы научных журналов. За несколько недель она обошла весь мир, не на шутку взволновав физиков. И волнение было понятно. Проверив множество объяснений, ученые согласились на одном: снимок зафиксировал предсказанное теорией Дирака рождение пары частиц. Свет превратился в вещество. Фотон космических лучей выбил из пустоты пару частиц — обыкновенный отрицательный электрон и необыкновенный, предугаданный теорией электрон с положительным электрическим зарядом.
Эта новая частица получила имя позитрона. С ним мы встречались уже не раз — при обсуждении термоядерных реакций на естественном и искусственном солнце.
Дерзкая фантазия тончайшей физической теории праздновала торжество.
Рассуждения, которые мы вели лишь в применении к электронам (как это делал сам Дирак в начале своего творческого пути), справедливы также для других частиц— протонов, нейтронов, для всех «кирпичиков» атома. Различие заключается только в ширине запретной полосы на диаграмме энергий между: —
Короче говоря, по воззрениям, вытекающим из представлений Дирака, пространство Вселенной есть целая совокупность вложенных друг в друга неощутимых океанов разных частиц отрицательных энергий. Космическую пустоту, если хотите, можно считать и одним сплошным океаном отрицательных энергетических состояний, из которого удается выбивать неодинаковые (но вполне определенные) частицы и дырки.
Здесь стоит отметить, что выбить из вакуума возможно не все известные физике элементарные частицы, а лишь те из них, что занимают в пустоте, так сказать, плацкартные места. Пребывая в том или ином состоянии, они больше никого не пускают на свою «полку». Потому-то состояние и остается пустым, как только «пассажир» покидает его. Физики называют такие частицы фермионами — по фамилии ученого, изучавшего их особенности (Ферми). Сам принцип плапкартности косит название принципа Паули (по имени физика, сформулировавшего его на научном языке).
Вместе с тем в природе существуют частицы, не подчиняющиеся принципу Паули. Это бозоны (от имени их исследователя Бозе). Они «пассажиры-бесплацкартники». В каждое состояние их вмещается сколько угодно. Понятно, что бозоны, к которым относятся фотоны, так называемые пи-мезоны и некоторые другие частицы, не способны к парному рождению. Но зато они могут служить великолепными «молотками» для ударов по вакууму.
В 1955 году американским физикам Сегре, Чемберлену, Виганду и Ипсилантису с помощью мощного ускорителя удалось обрушить на пустоту столь сильные удары, что из нее начали выпрыгивать протоны, сопровождаемые массивными дырками — антипротонами. «Молотками» служили пи-мезоны, которые возникали при резком торможении протонов, разогнанных до энергии в миллиарды электроновольт.
Вслед за тем на том же ускорителе были получены пары «нейтрон-антинейтрон»[10].
