Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Космические лучи (заряженные частицы) из внешнего пространства стали интересной областью исследования. Этот предмет стал даже одним из главных исследовательских проектов Роберта Э. Милликена и его коллег в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе). В ноябре 1931 года Милликен дал несколько семинаров в Кавендишской лаборатории в Кембридже, во время которых показывал фотографии, сделанные его бывшим аспирантом Карлом Д. Андерсоном (1905-1991). На них были видны оставляемые электронами и некоторыми положительными частицами траектории в камере Вильсона.

Физик Патрик М.С. Блэкетт (1897-1974) был сразу же очарован результатами Андерсона и начал исследовательский проект по изучению космических лучей в Кавендишской лаборатории. Но вся слава в Кембридже в следующие месяцы досталась Джеймсу Чедвику (1891-1974) и его открытию нейтрона. В феврале 1932 года, через 12 лет после того, как Резерфорд предположил существование этой частицы, нейтрон был наконец обнаружен.

Летом 1932 года Андерсону удалось сфотографировать траекторию частиц, которые, казалось, соответствовали, с одной стороны, электронам, а с другой — положительным частицам, также отклонявшимся, как и электроны. Андерсон опубликовал результаты в журнале Science и в своей статье очень осторожно интерпретировал эти частицы. Закончил он ее следующими словами: «Представляется необходимым рассмотреть вопрос о существовании частицы с положительным зарядом, которая имеет массу, сопоставимую с массой электрона». Однако работа Андерсона осталась практически незамеченной. Кроме того, в его статье не устанавливалось никакой связи с гипотезой антиэлектрона Дирака.

В Кембридже Блэкетт и Джузеппе Окьялини (1907-1993) получили результаты, которые подтверждали результаты Андерсона, но они прямо соотнесли их с антиэлектронами Дирака. В опубликованной ими статье содержался следующий вывод:

«Кажется, не существует доказательств, опровергающих теорию Дирака; напротив, в этой теории предсказано достаточно долгое время жизни положительного электрона для наблюдения его в камере Вильсона и в то же время достаточно короткое для того, чтобы объяснить, почему он не был обнаружен другими способами».

Название «позитрон» появилось впервые во второй статье Андерсона, опубликованной в 1933 году. Эмпирическое открытие позитрона стало триумфом теории Дирака. Однако значительное число физиков продолжали сохранять критическое отношение к морю Дирака и интерпретации частицы как дырки в этом море. Бор писал: «Даже когда вопрос о позитроне установлен, я остаюсь при своем убеждении в том, что это не имеет никакого отношения к морю Дирака». Паули также писал Дираку: «Я не верю в вашу теорию дырок несмотря на то, что существование антиэлектрона доказано».

Фотография позитрона, сделанная Карлом Д. Андерсоном благодаря камере Вильсона — устройству, заполненному насыщенными парами и помещенному в магнитное поле; в нем заряженные частицы оставляют след своей траектории.

Скептицизм Паули и многих других физиков по поводу теории дырок еще некоторое время сохранялся. Нелегко было принять идею вакуума, образованного из бесконечного числа электронов с отрицательной энергией. Однако в то же время оставалось неоспоримым, что некоторые следствия данной теории (например, существование антиэлектрона и его отождествление с положительным электроном, обнаруженным Андерсоном) являются очевидными фактами. Должно было пройти еще много времени, прежде чем существование античастиц и процесс рождения и аннигиляции пар частица/античастица получили объяснение без использования моря Дирака.

ЗАСЛУЖЕННАЯ СЛАВА

Публикация релятивистской теории электрона сделала Дирака одним из самых уважаемых физиков в мире. Он все чаще участвовал в конгрессах и конференциях, поскольку его теория вызывала огромный интерес. Этот интерес к теории дырок и взаимодействию протонов и электронов с годами только рос. Дирак много ездил по разным научным центрам. Помимо главных европейских исследовательских центров (Копенгаген, Геттинген, Лейпциг, Лейден и так далее) он часто посещал США и Советский Союз. В феврале 1931 года Дирак был избран иностранным членом Академии наук СССР и официально считался большим другом Советского Союза. Он стал одним из немногих физиков, которые еще могли ездить в СССР после 1934-1935 годов.