Этот правый, левый мир

До открытия Андерсона большинство физиков не верили в существование античастиц. Лишь Поль Адриан Морис Дирак, один из наиболее плодовитых физиков-теоретиков, предложил «дырочную» теорию частиц, которая предсказывала существование античастиц. Невозможно объяснить теорию Дирака без привлечения сложных выражений из высшей математики, но очень грубое представление о ней можно получить, вспомнив о существовании популярной «игры в 15», состоящей в последовательном передвижении квадратиков с нанесенными на них цифрами до тех пор, пока не будет достигнуто заданное их расположение[45]. Подобно тому как эти маленькие квадратики, совершая дискретные «квантовые скачки», переходят из одного положения в другое, одновременно перемещается и свободное место, то есть «дырка» в расположении квадратиков. Она тоже переходит из одного подозрения в соседнее, ведя себя так же, как любой из квадратиков. Фактически в теории этой игры «дырка» трактуется как нечто перемещающееся среди квадратиков.

Связь между «игрой в 15» и теорией Дирака состоит в следующем. Теория Дирака предполагает, что пустое пространство — вакуум — на самом деле не пусто, а представляет собой обширное компактное скопление, «море» частиц отрицательной массы. (Отрицательная инертная масса частицы означает, что под действием некоторой силы частица начинает двигаться не по направлению действия силы, а против него.) При некоторых условиях какая-то частица может быть вырвана из своего обычного положения и поднята, так сказать, «над уровнем моря» частиц. При этом происходит «рождение пары» электронов с положительной инертной массой. Один из них — обычный электрон с отрицательным зарядом. Другой — «дырка», оставшаяся «ниже уровня моря». Эта дырка реальна в том же смысле, в каком реален движущийся пузырек воздуха в жидкости или «дырка» в рассмотренной игре[46]. По теории Дирака, она ведет себя как электрон с положительным зарядом. Как писал Дирак в 1931 году, это может быть «частица нового типа, неизвестная экспериментальной физике, имеющая ту же массу, что и электрон, но обладающая противоположным зарядом. Такую частицу можно назвать антиэлектроном».

«Этот антиэлектрон, — продолжал Дирак, — недолго существует в нашем мире. Некоторое время он „движется“ (поскольку кругом движутся другие, не наблюдаемые нами частицы „моря“), затем в дырку попадает электрон и происходит „аннигиляция“ пары. Обе частицы „уничтожают“ друг друга и исчезают из поля зрения». «Аналогичным образом, — рассуждает Дирак, — протоны также могут иметь свое „море“ плотно упакованных частиц. При некоторых обстоятельствах частицы могут выбиваться из этого „моря“ и становиться обычными протонами, оставляя незаполненными „дырки“, несущие отрицательный заряд и ведущие себя подобно антипротонам».

И все это — в 1931 году! Был ли Андерсон знаком с замечательной теорией Дирака? Нет, не был. Более того, когда Андерсон после своего открытия прочитал работу Дирака, он признался, что не смог понять ее до конца. Поэтому можно считать, что Андерсон проявил не меньше научной проницательности и смелости, чем Дирак, предложивший столь необычную теорию. В самом деле, не имея никакого теоретического объяснения, глядя лишь на свой фотоснимок трека, он осмелился заключить, что наблюдаемое явление не может быть объяснено никакой из существовавших теорий: это должен был быть след положительного электрона.

Другие физики, не теряя времени, принялись проверять открытие Андерсона. В течение нескольких месяцев во многих лабораториях при бомбардировке атомных ядер гамма-квантами были получены электрон-позитронные пары. Как и предсказывал Дирак, позитрон оказался короткоживущим. При первом же столкновении с электроном (а вокруг него их более чем достаточно) происходит аннигиляция пары. Позже было установлено, что перед аннигиляцией обе частицы некоторое время вращаются относительно общего центра, образуя на мгновение «атом» вещества, называемого физиками позитронием. Короткий танец смерти — и конец! Обе частицы исчезают, оставив два или три гамма-кванта в зависимости от того, вращались ли частицы с параллельно (северные полюса направлены одинаково) или антипараллельно (северные полюса направлены противоположно) направленными магнитными осями.

Как мы видели, теория Дирака предсказывает также существование антипротонов. Эта частица может возникнуть лишь одновременно с протоном и исчезает, встретив его снова. Экспериментально антипротон был обнаружен лишь в 1955 году, двадцать три года спустя после открытия антиэлектрона. Для его обнаружения группа физиков Калифорнийского университета в Беркли использовала мощный ускоритель, называемый бэватроном[47]

. Обнаруженная пара протон — антипротон вела себя именно так, как предсказывал Дирак.

Год спустя та же группа физиков в Беркли впервые зарегистрировала антинейтрон. Хотя нейтрон и не имеет электрического заряда, он обладает спином и магнитным моментом, вокруг нейтрона существует магнитное поле, и именно по направлению этого поля нейтрон отличается от антинейтрона.