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.
Если одного электрона в этом море не хватает, то останется «дырка», в интерпретации Дирака. Отсутствие отрицательно заряженного электрона, энергия которого отрицательна по отношению к уровню моря, проявится как положительно заряженная частица с положительной энергией, а именно со всеми свойствами того, что позднее назвали позитроном. Это была странная идея – квантовая механика и до сих пор, через восемьдесят лет после своего появления, кажется странной, – а Дирак сделал свое предположение, когда квантовая механика только зарождалась, поэтому его можно считать гениальным.
Как можно сдвинуть или переместить электрон с отрицательной энергией, чтобы можно было увидеть «дырку» в море вакуума? Ответ состоит в подаче энергии, например, гамма-луча с большим количеством энергии. Если в гамма-луче достаточно энергии, то он может выбить электрон из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией, результатом будет производство гамма-лучом и электрона с положительной энергией, и «дырки» в том, что было вакуумом. «Дырка» – это отсутствие и отрицательной энергии, что проявится как состояние с положительной энергией, и отрицательный заряд, который проявляется как положительный. Так что конечный результат – это превращение энергии гамма-луча в обычный отрицательно заряженный электрон, который сопровождает положительно заряженный электрон, и оба – с положительной энергией.
Что такое этот положительный электрон? Предположение Дирака об антиэлектроне многим в то время показалось просто научной фантастикой. К тому времени единственными известными частицами были электрон и протон, на основании которых и объяснялась вся материя. Более того, считалось, что они неизменны. Тем не менее теория Дирака подразумевала, что эти фундаментальные частицы материи можно создавать или уничтожать по желанию. Не было необходимости в других частицах и не было никакого желания их видеть, а потом еще и как-то объяснять, если не считать общепризнанного, но в то время еще не обнаруженного нейтрона, который добавляет массу атомному ядру и помогает его стабилизировать. До тех дней, когда странные частицы с фантастическими названиями будут появляться одна за другой в результате открытий в космических лучах и ускорителях частиц, еще оставалось много лет. В 1928 году картина с частицами была простой: материя состоит из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. В этом относительно уютном мирке для антиэлектрона места не было.
После того как Дирак опубликовал работу «Теория электронов и протонов», которую мы уже упоминали, утвердилось и широко распространилось мнение, что Дирак серьезно рассматривает протон как кандидата на роль положительно заряженной частицы, которая появилась из его уравнения как кролик из шляпы фокусника в цирке. Современным физикам, которые знают о глубочайшей симметрии между материей и антиматерией, мысль о том, что протон может быть идентифицирован как антиэлектрон, при разнице в массах почти в 2000 раз, кажется абсурдной.
Все это может казаться очевидным сегодня. Но глубокую симметрию материи и антиматерии сегодня понимают гораздо лучше, чем в 1928 году, а историки спорят, являлась ли разница в массе такой очевидной, как кажется сегодня, и понимали ли тогда ее значение. Известный русский ученый Петр Капица (1894–1984), один из основателей физики низких температур и физики сильных магнитных полей, современник Дирака, утверждал, что Дирак сделал свое заявление в шутку, отойдя от своей обычной угрюмости и неразговорчивости. Целью Дирака было просто заставить замолчать тех, кто ему надоедал, настойчиво задавая вопрос о том, где же находится антиэлектрон. Он хотел продолжать объяснять свои глубокие идеи и оставить вопрос массы для решения в дальнейшем, считая его «мелкой деталью».
Роберт Оппенгеймер (1904–1967) – американский физик-теоретик. В 1943–1945 годах он руководил созданием американской атомной бомбы. В 1953 году выступил против создания водородной бомбы, был обвинен в «нелояльности» и отстранен от секретных работ
Уравнение Дирака указало путь к антиматерии, а первым, кто увидел картину в целом, стал американский физик Роберт Оппенгеймер, оставивший после себя труды по квантовой механике, физике атомного ядра и космических лучей, разделению изотопов. В 1943–1945 годах он руководил созданием американской атомной бомбы.
Оппенгеймер считал, что положительная частица не может быть протоном, потому что, если бы это был протон, то атомы водорода уничтожили бы сами себя. Идея, подразумевавшая, что электрон и его положительно заряженный двойник могут возникнуть из вакуума, может быть применена в обратном порядке: если включить «фильм» с конца и перематывать к началу, то получится, что происходит взаимное уничтожение пары и она исчезает в гамма-лучах. Так что, если положительная частица идентифицируется с протоном, то атомы водорода будут жить только до тех пор, пока протон не встретится с электроном. И не только водород, а вся материя исчезнет в одно мгновение.
Дирак сразу же понял силу критики Оппенгеймера и принял как факт, что его положительный электрон – это что-то совершенно новое. В сентябре 1931 года он опубликовал вывод о том, что «дырка» будет «новым видом частицы», неизвестной экспериментальной физике, с той же массой и зарядом (количественно), как у электрона. Такую частицу можно называть антиэлектроном. Ее свойством будет пиротехническое разрушение традиционного отрицательно заряженного электрона, обратная возможности их создания из чистой энергии.
Массивный протон – это совсем другой зверь. Уравнение Дирака подразумевало, что в нем также имеется «анти» компонент. В работе от 1931 года он дал это ясно понять, написав, что в его теории «имеется полная и идеальная симметрия между положительным и отрицательным электрическим зарядом». Он лишь слегка намекал на осторожность, когда говорил, что «если симметрия и вправду является фундаментальной по своей природе, то должно быть возможным сменить заряд на противоположный в любом виде частиц». Таким образом он предсказал антипротон, отрицательно заряженное массивное зеркало протона. Предсказание Дирака о том, что у каждой частицы есть двойник – античастица, теперь признается как непреложная истина, это свидетельство глубочайшей симметрии картины Вселенной.
Идея Дирака о бездонном море, полном одинаковых электронов, также объясняет, почему все электроны и позитроны, созданные «из вакуума», имеют одинаковые свойства вместо того, чтобы появляться с различными бесконечными возможностями, причем распределенными наугад. Дирак также предположил, что море наполняют и протоны, и сегодня мы уже признаем, что кварки также удовлетворяют принцип исключения и заполняют бесконечное глубокое море. Именно этот бесконечно глубокий склад моря Дирака обеспечивает нас частицами и античастицами, которые мы можем материализовать.
