Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Это была какая-то чертовщина. Если бы речь шла о движении обычного камня, можно было бы написать целую поэму в формулах. А электрон не уживался ни в одном уравнении. Он всё время вступал в противоречие с окружающей средой.

Дирак упорно пытался найти истинный закон поведения электрона, написать хотя бы уравнение его движения в свободном пространстве.

И такое уравнение он наконец написал, объединив при этом принципы квантовой механики с идеями теории относительности. Это было в 1928 году. Но, как ни странно, на первых порах ни он сам, ни другие учёные не обрадовались этой находке.

Уравнение Дирака повело себя как непокорный джинн, неосторожно выпущенный из бутылки. То, что прочли учёные в этом уравнении, показалось им, мягко выражаясь, недоразумением. Более крепким словом они не хотели обидеть автора. Наравне с реально существующим отрицательно заряженным электроном в нём занял равноправное место положительный электрон! «Не парадокс ли это?»— думал невольный виновник этого странного открытия. Дирак вовсе не искал эту частицу. Он даже не подозревал о её существовании.

Таких частиц в природе вообще никто не встречал. Если обычный электрон отталкивался от отрицательно заряженного тела, новый, дираковский, электрон должен им притягиваться. Если в магнитном поле «старый» электрон побежал бы в одну сторону, «новый» свернул бы в другую. Из уравнения смотрел невиданный удивительный положительный электрон.

Когда учёный создавал формулу ещё не познанного явления, у него в мыслях даже намёка не было на столь странную частицу. Неудивительно, что прошло несколько лет, а учёный всё ещё ничего не мог объяснить коллегам. Как сказал один физик: «В течение нескольких лет существовал заговор молчания относительно этих неприятных решений релятивистского уравнения Дирака». Первоначально Дирак и не думал о том, что уравнения описывают новую частицу. Слишком крепка была в то время всеобщая уверенность в том, что существуют только две элементарные частицы — электрон и протон. Ему казалось более лёгким представить себе, что весь мир полностью заполнен электронами, а «новые» частицы — это «дырки», незаполненные места в этом «электронном море». Такие «дырки» обладали бы всеми свойствами положительных электронов. Эта точка зрения господствовала несколько лет. Но Дирак и остальные физики не считали её окончательной.

Наконец Дирак решился. «Дырки» не нужны: в природе существует третья элементарная частица — положительный электрон.

Более того, учёный огорошил своих коллег предположением, что все частицы в природе существуют парами, что каждой заряженной частице соответствует своя античастица с такой же массой, но с зарядом противоположного знака. Дирак справедливо решил, что если существует пара для электрона — позитрон (так назвали антиэлектрон), то должна существовать и пара для протона. Если существуют атомы водорода, должны существовать и атомы антиводорода. То есть в природе наравне с веществом должно равноправно существовать и антивещество.

Так Дирак ввёл в науку важнейшую идею о существовании в природе новой симметрии — сопряжённости частиц и античастиц. Это явилось первым результатом объединения квантовой теории и теории относительности. Объединились уравнения квантовой теории и преобразования Лоренца. Выявилась возможность превращения кинетической энергии сталкивающихся частиц в массу покоя новых частиц и обратно. В нерелятивистской физике считалось само собой разумеющимся постоянство количества частиц. Оно казалось эквивалентом закону сохранения вещества. Первоначальная квантовая теория считала число частиц одним из квантовых чисел. В релятивистской квантовой физике число частиц перестало быть постоянной величиной, а значит, оно перестало быть квантовым числом.

Итак, как сказал знаменитый швейцарский физик Паули, «тонкое природное чутьё физика помогло Дираку начать свои рассуждения, не зная, что они приведут к теории, которая обладает точной симметрией по отношению к знаку заряда, в которой энергия всегда положительна и в которой предсказывается рождение и аннигиляция пар».

Уравнение Дирака толкало учёных на путь удивительных открытий.

И действительно, ещё свежо было впечатление от феноменального открытия Дирака, ещё памятны были годы молчания, которым деликатно обходили физики дираковское уравнение, когда американский учёный Андерсон впервые увидел след положительно заряженного электрона, рождённого в камере Вильсона при прохождении через неё космической частицы. Его путь искривлялся магнитным полем в направлении, противоположном пути обычного электрона. Все остальные признаки совпадали. Несомненно, то был позитрон, существование которого гениально предсказал Дирак.

Это произошло в 1932 году. Появление позитрона стало мировой сенсацией, гвоздём четвёртого десятилетия XX века. Двери в антимир были открыты. Физики ринулись «открывать новые земли». Они с упоением отдались поискам других частиц и античастиц.

Камера Вильсона решила, видно, сыграть роль рога изобилия. И вслед за первой сенсацией породила вторую, потом третью, четвёртую… целый каскад новых элементарных частиц и античастиц.

Охотники за космическими частицами ещё ниже склонились над своими установками. Они стали ещё пристальнеё рассматривать фотографии, испещрённые толстыми и тонкими, еле видными и отчётливыми линиями — следами промелькнувших космических частиц и осколков разбитых атомов. Физики проявляли чудеса наблюдательности, копаясь в путанице ничего и никому, кроме них, не говорящих следов. И наконец, — это было в 1936 году — Андерсон и Неддермайер разглядели ещё одну, никем из людей не виденную частицу. Она двигалась проворнее протона, но солиднее электрона. Она была легче первого, но тяжелее второго. Так её и назвали — «мезон», что значит по-гречески «промежуточный».

Судьба этой частицы очень напоминает судьбу дираковского позитрона. Мезон тоже введён в науку пером физика теоретика. Японский учёный Юкава в 1935 году при разработке теории ядра был вынужден ввести особое поле ядерных сил, квантами которых, по его расчёту, должны являться особые частицы. Их масса составляет около 200 масс электрона, то есть примерно в десять раз меньше массы протона. Для выполнения этой работы потребовалось пять лет.

В 1932 году, вскоре после экспериментального наблюдения позитрона, Дж. Чэдвик открыл нейтрон. Открытие возникло не на пустом месте. За два года до того А. Боте и Г. Беккер при бомбардировке ядер бора и бериллия альфа-частицами обнаружили излучение, обладающее очень большой проникающей способностью. Они сочли, что это известные ранеё гамма-лучи. Вскоре Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри установили, что новое излучение способно выбивать быстрые протоны из веществ, содержащих водород. Открытие совершенно неожиданное и необъяснимое. Для того чтобы это было возможным, соответствующие гамма-лучи должны были бы иметь энергию, во много раз превосходящую энергию гамма-лучей, порождаемых другими источниками.

Чэдвик повторил опыты с бериллием, а затем проделал аналогичные опыты с гелием и углеродом. Измеряя энергию отдачи ядер, бомбардируемых гипотетическими гамма частицами, Чэдвик убедился, что гипотеза о гамма-лучах как причине выбивания протонов противоречит законам сохранения энергии и импульса. Тогда он заключил, что излучение, порождаемое бомбардировкой альфа-частицами изученных им ядер, освобождает из них нейтральные частицы с массой, равной массе протона. Только тогда учёные вспомнили, что ещё в 1920 году Резерфорд высказал гипотезу о том, что подобная нейтральная частица могла бы существовать. И сам Чэдвик говорил, что он в своих исследованиях руководствовался этой гипотезой, основанной на прозорливости Резерфорда.

Чэдвик считал, что нейтрон представляет собой образование из тесно связанных протона и электрона. «Конечно, — писал он в своей статье «Существование нейтрона», — можно было бы предположить, что нейтрон является элементарной частицей. Однако нет достаточных оснований для того, чтобы принять эту точку зрения, за исключением возможности объяснения статистики таких ядер, как азот-14».

Но требования статистики почти сразу одержали верх над удобной электрон-протонной моделью нейтрона. Спин такого «нейтрона» должен быть равен нулю. При этом невозможно объяснить, каким образом ядро азота, имеющее заряд, равный семи, подчиняется статистике Бозе, справедливой для частиц, обладающих спином, равным 1/2.

Загадка спина ядра азота в то время была возведена в ранг «азотной катастрофы», ибо она могла разрушить основы новой квантовой физики. Вскоре Д. Д. Иваненко (статья поступила в редакцию 26 апреля 1932 года) и Чэдвик (статья поступила 10 мая 1932 года) устранили «азотную катастрофу», предположив, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, а не из протонов и электронов, как считалось в то время. При этом нейтрон выступал как первая нейтральная частица с массой покоя, отличной от нуля.