Переполненная пустота
Прислушаемся к беседе, которую ведут сторонник Дирака и еще не обращенный в новую веру его противник.
Говорит сторонник:
- Каким вы назовете пространство, в котором никаким прибором не обнаружить ни одной частицы?
- Ну конечно, совершенно пустым, - отвечает противник.
- А если в этом пространстве есть частицы, которые просто лишены возможности проявить себя, войти в контакт с прибором? Даже если в пространстве полным-полно частиц, вы все равно будете считать его пустым?
- Разумеется! Но позвольте задать вопрос. Как частицы могут лишиться способности взаимодействовать? Если ваши электроны не входят в контакт с измерительным прибором, значит, они и друг с другом не взаимодействуют! Прибор ведь состоит в конечном счете из тех же электронов.
- Правильно.
- Не правильно, а чепуха! Частицы не могут не взаимодействовать, это противоречит самой сущности вещей! - начинает волноваться противник.
- Тоже правильно, - по-прежнему спокойно отвечает сторонник.
- И то правильно, и это правильно? Ничего не понимаю!
- Не волнуйтесь, я вам сейчас объясню. Давайте приложим к куску металла электрическое поле. Пойдет ток, и вы скажете, что в металле есть свободные электроны.
- Верно, - кивает противник.
- А есть ли в металле еще что-нибудь, кроме этих электронов? - спрашивает сторонник.
- Конечно: еще атомы.
- Простите, а как вы это узнали?
- Можно, например, так. Осветим металл рентгеновыми лучами. При высоких энергиях фотоны этих лучей будут вырывать из атомов электроны.
- Значит, при меньшей энергии металл у вас состоит как бы из одних свободных электронов, а увеличили энергию - и появились атомы?
- Конечно, нет! Просто тот вид внутренней структуры, который мы обнаруживаем, зависит от той энергии, с которой мы ее прощупываем.
- Ага! Так почему же вы не хотите понять, что можно взять такую энергию, при которой и пустота обнаружит свою структуру?
Противник снова разводит руками:
- Не понимаю. Пустота - всегда пустота. В ней ничего нет и быть не может.
- Ну, а все же представьте себе пустоту, до отказа забитую электронами. Они ведь не смогут взаимодействовать ни друг с другом, ни с приборами.
- Почему?
- А потому, что это означало бы изменение их энергии. Ведь при взаимодействии одна из частиц всегда что-то теряет из своей энергии, а другая что-то приобретает. И частицы должны занять новые уровни энергии.
- Но где же они могут найти такие уровни? Вы говорите, что все уровни у вас заняты. А как доказал недавно Вольфганг Паули, каждый уровень энергии может быть занят только двумя электронами. Если к ним придет третий, они его не пустят, - недоумевает противник.
- Значит, нет таких свободных уровней?
- Нет.
- Вот потому-то электроны, даже если они сидят в пустоте так же тесно, как сельди в бочке, не могут взаимодействовать друг с другом или с прибором! Но… только до тех пор, пока им не будет сообщена достаточная энергия, чтобы электроны могли выпрыгнуть из пустоты. Как только это произойдет, частицы уже можно будет обнаружить: они приобретают возможность взаимодействовать.
- Что же это за энергия? - начинает понемногу сдаваться противник.
- Давайте сообразим. Электрон должен родиться из пустоты, имея по меньшей мере свою собственную энергию покоя. По закону Эйнштейна эта энергия равна произведению массы покоя электрона на квадрат скорости света.
- Значит, электронам в вакууме надо передать минимум такую энергию?
- Нет, не совсем так. Вы не учли того, что станет с вакуумом после вылета из него электрона. А это надо учитывать.
- A-а, понятно. Учитываю. В заполненной электронами пустоте при этом образуется пустое место. Бр-р-р! Вы меня извините. Говорю, а сам содрогаюсь от своих слов!
Так можно представлять себе "переполненную пустоту" - океан Дирака. Удар по этому океану достаточно энергичным фотоном выбрасывает на берег брызги - электрон, а в пустоте остается дырка - ничуть не менее реальный позитрон. Другими словами, такая картинка изображает превращение гамма-кванта в пару из электрона и позитрона.
Но сторонник лишен жалости. Он продолжает убеждать:
- Назовем это пустое место дыркой. Она имеет заряд.
- Конечно. Раз пустота в целом нейтральна, то вылет из нее электрона должен сообщить ей, то есть дырке, положительный заряд, чтобы эта нейтральность сохранилась.
- Вот-вот. И масса у этой дырки должна быть. Такая же, как у электрона. И на рождение дырки нужно затратить ту же энергию, что на электрон, а всего на пару из электрона и дырки - двойную энергию. Это примерно миллион электрон-вольт.
- Немало.
- Верно, немало. Но при меньшей энергии обнаружить структуру вакуума, теперь вам понятно, невозможно. А если по пустоте ударить с такой или с большей энергией, например, фотоном, то из нее выскочат сразу две частицы - электрон и его зеркальный брат. Назовем этого брата позитроном.
- Уфф! Кажется, теперь я понял!
По горячему следу
Так в начале тридцатых годов была предсказана новая частица. Были установлены ее вид и повадки, из коих главная та, что эта частица рождается в паре с электроном. И должна умирать также вместе с электроном, отдавая при этом, как и электрон, всю ту энергию, которую они получили при своем рождении или приобрели при своей жизни.
Далеко не все ученые верят в находки, полученные теоретиками на кончике пера. В теорию относительности многие уверовали лишь после того, как в 1919 году астрономы подтвердили предсказываемое ею искривление световых лучей вблизи крупных небесных тел.
Так и теперь. Слово за физиками-экспериментаторами. Подтвердят ли они существование новой частицы?
Экспериментаторы берут это дело на заметку. К списку разыскиваемых частиц прибавляется еще одна. С еще большим вниманием просматриваются тысячи фотографий, снятых в камере Вильсона.
На этих фотографиях оставляют следы миллионы космических частиц. Миллионы частиц - миллионы разнообразных событий. И где-то в этих джунглях переплетающихся следов, толстых и тонких, прямых и изогнутых, неожиданно прерывающихся, расщепляющихся на другие следы, - где-то здесь наблюдателя ждет след, оставленный новой, пока неведомой частицей.
Ни одна черточка на фотографии не должна ускользнуть от внимания ученых. А так легко пропустить ее, так легко необычный след принять за привычный, неинтересный. И тогда в стопке уже просмотренных фотопластинок безвозвратно затеряется интереснейшее событие.
Может быть, его уже годы тщетно ждут теоретики. И придется им тогда снова ждать и ждать, пока редкое событие снова удастся схватить на фотопластинке.
Сколько интересных явлений на фотопластинках пропустили экспериментаторы в ранние годы изучения космических лучей! Трудно винить их в этом. Они знали, как наблюдать, но не ведали, что именно надо искать. А не ведали потому, что этого не знали и теоретики.
Но вот в начале 1932 года американский физик Карл Андерсон, изучая снятые на космическом излучении фотографии в камере Вильсона, обнаруживает интересный след.
Вот он, воспроизведен на рисунке.
Первая фотография позитрона. Он пришел сверху, замедлился в свинцовой перегородке и пропал в нижней части камеры Вильсона, где слился с электроном. Если бы этот след оставил электрон, то магнитное поле в камере должно было бы закрутить его в обратную сторону.
Темное поле снимка пересекает толстая горизонтальная полоса - это свинцовая пластинка. Искривленный след говорит о том, что камера работала в сильном магнитном поле. Как мы уже рассказывали выше, такой режим работы камеры впервые осуществил наш замечательный физик Дмитрий Владимирович Скобельцын.
Добавим еще, что снимок ориентирован так же, как и фотопластинка в камере Вильсона: верхняя его часть отвечает участку камеры над свинцовой пластинкой.
Чем же интересна эта фотография?
Сядем вместе с Андерсоном и его коллегой Сетом Неддермайером и займемся анализом снимка. Так сказать, проникнем не в обычную, а в творческую лабораторию ученых.