В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Сначала никто не понял, как именно относиться к работе Дирака. Была заявлена идея о том, что положительным противовесом электрону является протон, но никто не отнесся к ней с должной серьезностью, пока в 1932 году американский физик Карл Андерсон не обнаружил следов положительно заряженных частиц в первых наблюдениях космических лучей. Космические лучи – это энергетические частицы, которые проникают на Землю из космоса. Перед Первой мировой войной их обнаружил австриец Виктор Гесс, который в 1936 году разделил Нобелевскую премию с Андерсоном. Эксперименты Андерсона предполагали наблюдение за частицами в процессе их движения по камере Вильсона – устройству, в котором частицы оставляют за собой след, подобный конденсационному следу самолета. Андерсон обнаружил, что некоторые частицы оставляли след, который изгибался магнитным полем на ту же величину, что и след электрона, но в противоположном направлении. Это могли быть только частицы, обладающие той же массой, что и электрон, но заряженные положительно, и их назвали «позитронами». Андерсон получил Нобелевскую премию за это в 1936 году, через три года после того, как Дирак получил свою, и его открытие изменило представление физиков о мире частиц. Они долго предполагали существование нейтральной атомной частицы, нейтрона, который в 1932 году обнаружил Джеймс Чедвик (и получил за это Нобелевскую премию в 1935-м), и были вполне довольны идеей, что ядро атома состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов, а вокруг располагаются отрицательные электроны. Но позитронам в этой модели не было места, и идея о том, что частицы могут создаваться из энергии, полностью изменила понятие фундаментальной частицы.

В принципе в соответствии с описанным Дираком процессом из энергии может быть создана любая частица, при условии что одновременно с ней создается античастица – «дырка» в море отрицательной энергии. Хотя сегодня физики предпочитают более сложные версии истории о сотворении частиц, принципы остаются неизменными – и одним из главных является то, что, встречаясь с античастицей, частица «падает в дырку», высвобождая энергию в 2mс²

и исчезая, но не столько в клубах дыма, сколько во вспышке гамма-лучей. До 1932 года многие физики наблюдали за следами частиц в камерах Вильсона, и многие из наблюдавшихся ими частиц, должно быть, имели отношение к позитронам, но до исследований Андерсона всегда предполагалось, что эти следы связаны с движением электронов, влетающих в атомное ядро, а не позитронов, вылетающих наружу. Физики с предубеждением относились к идее о существовании новых частиц. Через пятьдесят лет ситуация изменилась, и, как выразился Дирак: «Люди слишком стремятся провозгласить появление новой частицы на малейшем основании, хоть теоретическом, хоть экспериментальном» («Пути физики», с. 18). В результате в «зоопарке» частиц оказалось не только две фундаментальные частицы, известные в 1920-х, но уже более 200 частиц, каждую из которых можно создать, обеспечив достаточной энергией ускоритель частиц. Большая их часть крайне нестабильна и очень быстро «распадается» на лавину других частиц и излучение. В этом зоопарке практически потерялись антипротон и антинейтрон, открытые в середине 1950-х, но они тем не менее представляют собой веское подтверждение верности оригинальных идей Дирака.

О зоопарке частиц написаны целые книги, а занимаясь таксономией частиц, многие физики выстроили свою карьеру. Но мне кажется, что в таком изобилии частиц не может быть ничего фундаментального и ситуация напоминает ситуацию в спектроскопии до развития квантовой теории, когда спектроскописты могли измерить и каталогизировать взаимосвязи линий в разных спектрах, но при этом не догадывались о глубинных причинах наблюдаемых взаимосвязей. Базовые правила для создания множества известных частиц должно было обеспечить нечто более фундаментальное, и в 1950-х годах Эйнштейн объяснил это своему биографу Абрахаму Пайсу. «Было ясно: он чувствовал, что еще не настало время разбираться с этим и что эти частицы в итоге станут решениями уравнений единой теории поля»[37]. Тридцать лет спустя окажется, что Эйнштейн был прав, и наброски возможной единой теории, которая включает в себя зоопарк частиц, будут описаны в эпилоге. Сейчас же важно отметить, что великий подъем физики частиц, начавшийся в 1940-х годах, берет свое начало в развитии квантовой теории Дираком – в первых рецептах из квантовой кулинарной книги.

Внутри ядра