Считается, что фотон не имеет массы покоя. Следовательно, если фотон и является колебаниями какой-то среды, то эта среда не имеет массовой плотности. Зато она может иметь энергетическую плотность. Нас это не должно удивлять. В физике уже давно принято массу элементарных частиц выражать в единицах энергии. Например, в справочнике по элементарной физике написано, что масса покоя электрона равна 0.51*10 эВ или 0.51 МэВ. Так обеспечивается равноправие между частицами и квантами, причем этот подход – энергетический! Возникает сразу два вопроса: какая среда имеет нулевую массовую плотность и как в этой среде могут возникать поперечные волны? На первый вопрос ответить легко. Эта среда – вакуум. Для ответа на второй вспомним известные результаты.
В нашем макромире мы встречаемся с тремя уровнями плотности. Так, литр воды имеет массу 1 кг, литр воздуха при нормальном давлении имеет массу 10 кг, литр газа при давлении 1 мм рт. ст. имеет массу 10 кг. Последнюю плотность среды можно назвать техническим вакуумом. Наконец, массовая плотность космического вакуума, где в литре пространства может быть одна – две молекулы газа, практически равна нулю. Напомним, поперечные волны возникают на границе между средами с различной плотностью. Так морские волны возникают на границе между водой и воздухом. В воздухе, на границе между плотным холодным и теплым разреженным слоями, тоже могут возникать поперечные волны. Известно явление "зарница", когда после ухода грозы вдали сверкает молния, а гром не слышен. Это объясняется тем, что воздух у поверхности земли, охлажденной дождем, имеет большую плотность, чем на высоте птичьего полета. Раскаты грома сверху отражаются от плотного слоя и уходят обратно, не достигая наших ушей. При этом на границе между слоями воздуха возникают поперечные волны инфразвуковой частоты, которые мы не слышим.
Возможно, вакуум это не просто однородная "великая пустота", как считали древние греки. Напротив, в вакууме могут быть зоны с различной плотностью. Только плотность эта не массовая, а энергетическая. Мы ее не ощущаем, как не ощущаем электрическое поле. На границе между зонами с разной энергетической плотностью могут возникать поперечные волны. Складываясь, энергетические волны могут образовывать пакеты энергетических волн. Эти пакеты волн наши макроприборы регистрируют как фотоны, электроны и другие частицы.
Эта идея не такая уж бредовая. Вспомним теорию полупроводников. Электронные оболочки, которые связывают атомы в кристалл, образуют зону отрицательной энергии. Электроны проводимости перемещаются в зоне положительной энергии между узлами кристаллической решетки. Теория энергетических зон в кристаллах подтверждена опытами и принята всеми учеными. Если из опытов следует, что фотоны, эти поперечные волны, могут перемещаться в вакууме, значит, вакуум должен иметь, как минимум, две зоны с различной энергетической плотностью, между которыми должна быть достаточно резкая граница.
Дирак, составляя уравнение для движения электрона почти со скоростью света, использовал методы теории квантов. Решая уравнение (уравнение Дирака), он получил для свободного электрона два значения энергии, положительное и отрицательное. О положительной энергии мы знаем. Это энергия электрона, которую он имеет, например, в опыте Комптона. Но что такое "свободный электрон с отрицательной энергией"? Коллеги Дирака отнеслись с недоверием к полученному результату и предложили его отбросить, как не имеющий физического смысла. Но Дирак не согласился, Он предположил, что в вакууме, кроме зоны с положительной энергией частиц, дополнительно существует скрытая зона отрицательных энергий. Свободный электрон, имеющий по Дираку положительную энергию, может производить работу, что регистрируется нашими приборами. В зоне отрицательных энергий электрон связан. Такой электрон не производит работу и не регистрируется приборами.
Из теории Дирака следует, что если гамма – квантом достаточной энергии подействовать на связанный электрон, он может перейти в свободное состояние. Тогда в вакууме образуется вакансия – дырка. Но в дырке от электрона должен быть положительный заряд. Вывод таков, что после облучения квантами вакуума в пространстве должны появиться, кроме электронов, частицы с массой электрона, но с положительным зарядом. Эти частицы могут совершать работу. Забегая вперед, скажем, что такого рода объекты называются античастицы. Античастицу для электрона назвали позитроном. При столкновении электрона с позитроном электрон занимает место "дырки", т. е. позитрона. При этом с экранов приборов исчезают сразу обе частицы, зато в зоне наблюдения (т. е. в нашей зоне) появляется квант с энергией, равной двум массам покоя электрона (или позитрона).
Теория Дирака была настолько необычной, что большинство физиков не приняли её. Но, как говорил Эйнштейн, лучший судья – это эксперимент. Первым Андерсен обнаружил позитроны в составе космических лучей. Затем было показано, что, облучая гамма-квантами технический вакуум, при определенных условиях можно наблюдать рождение пар электрон-позитрон. Прямые измерения показали, что это происходит при энергии квантов, равной 1.02 Мэв. Это значение в точности равно удвоенной массе покоя электрона, равной 0.51 МэВ.
После работ Андерсена многие физики кинулись искать антипротоны. Эти поиски увенчались успехом. Со временем были найдены античастицы практически для всех частиц, за исключением фотона. Квант света оказался единственной частицей, не имеющей своей античастицы. Этот научный факт заставляет задуматься.
Из теории Дирака следует, что между отрицательной и положительной зоной существует энергетический зазор, своего рода запрещенная зона. При этом масса покоя любой свободной частицы не должна иметь значение из этой зоны. Но фотоны не имеют массы покоя. Мы не знаем, какие процессы происходят в зоне отрицательных энергий. Возможно, колебания отрицательной энергии в море Дирака рождают поперечные волны, гребни которых перемещаются по запрещенной зоне. Мы, обитатели зоны положительных энергий (как нам кажется), наблюдаем эти волны как фотоны, стабильные частицы со свойствами поперечных волн. В запрещенной зоне, с нулевой во всех отношениях плотностью, которая не производит ни малейшего сопротивления движению материи, эти фотоны носятся со скоростью света, недостижимой для всех других частиц, имеющих массу покоя. Возможно, именно поэтому фотон не имеет античастицы, так как он рождается и перемещается в запрещенной зоне, которая отделяет наш мир от антимира.
Вероятно, при более сильных колебаниях в отрицательной энергетической зоне верхушки энергетических волн выплескиваются в положительную зону вакуума. Аналогичные выбросы электронов в зону проводимости известны в полупроводниках. Возможно, свободные электроны это просто верхушки энергетических вихрей, заброшенных в наше пространство. Если такой заброс происходит через какие-то промежуточные уровни в запрещенной зоне, то в нашей Вселенной вместо позитронов могут возникать и другие античастицы. Этим можно объяснить, почему в нашей Вселенной позитронов меньше, чем электронов.
Глава 10. Заключительная
§ 58. Как проектировали лазер
В заключительной главе принято подводить итоги. Но мы не будем тратить время на перечисление вопросов, которые не успели рассмотреть. Расскажем лучше о лазерах, которые являются самым ярким воплощением квантовой теории. Лазеры относятся к пионерским изобретениям. Так называются изобретения, которые не имеют аналогов. Хотя в рекламе можно встретить фразу типа, "новый телевизор не имеет аналогов", на самом деле это не так. У любого телевизора есть аналог, так как даже новейший телеприёмник обязан принимать стандартный сигнал от телестудии. Пионерским является изобретение, работающее на новых научных принципах, которые еще нужно открыть. К примеру, пароход изобрели в начале 19-го века. Но это изобретение нельзя назвать пионерским, так как паровоз изобрели ещё в 18-м веке. Вообще говоря, паровую машину могли собрать ещё древние греки, которые имели представление об энергии пара. Лазер – другое дело. Чтобы изобрести лазер, потребовалось сначала создать новый раздел физики – квантовую электронику. Это было сделано уже в 20-м веке. Обратимся к фактам.
Всем известна обыкновенная линза. Она преломляет лучи света, сводя их в крошечное пятнышко. Лучом от линзы можно поджечь бумагу или сухую траву. Но лист металла этим лучом прожечь невозможно, энергия недостаточно сконцентрирована. Дело в том, что преломление лучей зависит от частоты света. Именно по этой причине солнечный луч распадается в спектрометре в радужную полоску. Поэтому, как ни шлифуй линзу, фотоны разного цвета будут попадать в разные места и большой концентрации световой энергии не получить. Вот если бы все фотоны имели одинаковую частоту. Тогда их можно было бы сфокусировать в одну точку на мишени, где плотность энергии выросла бы в сотни тысяч раз. Таким лучом можно прожигать оболочки ракет или сбивать спутники с орбиты. Возникает вопрос, где взять источник света, который выдал бы в нужный момент нужное количество фотонов с одинаковой частотой? До сих пор мы убеждались, что атомы излучают фотоны, какие поглощают сами. Этого требует классический принцип теплового равновесия.