Первооткрыватель антивещества
Что такое антивещество? Представляется странным, что природа без всяких видимых причин удвоила число элементарных частиц во вселенной. Как правило, природа очень экономна — но в отношении пары вещество-антивещество она, похоже, повела себя в высшей степени расточительно. Кроме того, возникает еще один вопрос: если существует антивещество, может быть, существуют и антивселенные?
Чтобы поискать ответы на эти вопросы, нам придется разобраться в истории самого антивещества. Открытие его относится еще к 1928 г., к новаторским работам Поля Дирака, одного из самых блестящих физиков двадцатого столетия. Он занимал лукасовскую кафедру в Кембриджском университете — ту самую, которую в свое время занимал Ньютон и которую в настоящее время занимает Стивен Хокинг. Дирак родился в 1902 г.; он был молодым человеком, высоким и жилистым, когда в 1925 г. разразилась квантовая революция. В этот момент Дирак изучал электротехнику, но волна интереса, разбуженного новой теорией, захватила его и навсегда изменила его жизнь.
Квантовая теория базируется на представлении о том, что частицу вроде электрона можно описать не только как точечный объект, но и как некую волну, отвечающую знаменитому волновому уравнению Шрё'дингера. (Волновая функция представляет вероятность нахождения частицы в конкретной точке.)
Но Дирак быстро понял, что уравнение Шрёдингера имеет серьезный недостаток. Оно описывает только медленно движущиеся электроны. На более высоких скоростях уравнение перестает действовать, так как не подчиняется законам относительности Альберта Эйнштейна — а ведь именно эти законы описывают поведение объектов на высоких, околосветовых скоростях.
Юному Дираку сразу захотелось так переформулировать уравнение Шрёдингера, чтобы попытаться включить в него и законы теории относительности. В 1928 г. молодой ученый предложил свой вариант уравнения Шрёдингера — достаточно радикальную его модификацию, которая в полной мере соответствовала теории относительности Эйнштейна. Ученый мир был потрясен. Дирак отыскал свое знаменитое релятивистское уравнение для электрона путем чисто математических манипуляций с высшими математическими объектами, известными как спиноры. Внезапно математическая диковинка оказалась центральной фигурой во всей Вселенной. [До Дирака многие физики были убеждены, что великие открытия в физике должны стоять на прочной базе экспериментальных данных, но Дирак выбрал противоположную стратегию. Для него чистая математика — если, конечно, она была достаточно красива — служила путеводной звездой на пути к великим открытиям. Он писал: «Красота уравнений важнее, чем их соответствие экспериментальным данным... представляется, что если стремишься получить в уравнениях красоту и обладаешь здоровой интуицией, то ты на верном пути».)
Работая над новым уравнением для электрона, Дирак обнаружил, что прославленное уравнение Эйнштейна, Е = mc2, не совсем верно. Это уравнение верно лишь отчасти, несмотря на то что его можно увидеть повсюду: на рекламах Мэдисон-авеню и на детских футболках, в мультиках и на костюмах супергероев. Верное уравнение выглядит так: Е = ±mc2. (Минус возникает потому, что в процессе вывода нам приходится брать квадратный корень из определенной величины. А операция взятия квадратного корня всегда привносит в выражение неопределенность в знаке.)
Но физики не выносят отрицательной энергии. В физике существует аксиома, согласно которой объекты всегда стремятся к состоянию с минимальной энергией (именно поэтому вода всегда стремится к минимальному уровню, уровню моря). А если материя всегда стремится к состоянию с минимальной энергией, то перспектива появления отрицательной энергии чревата поистине катастрофическими последствиями. Присутствие во Вселенной отрицательных энергий означало бы, что все электроны со временем провалятся к бесконечным отрицательным энергиям — а это, в свою очередь, означало бы, что теория Дирака нестабильна. Пытаясь избежать этого, Дирак изобрел концепцию «моря Дирака». Он предположил, что все состояния с отрицательными энергиями уже заняты, поэтому электрон никак не может туда провалиться. Следовательно, Вселенная стабильна. Кроме того, иногда гамма-квант, столкнувшись случайно с электроном, пребывающим в состоянии с отрицательной энергией, выталкивает его «наверх», в состояние с положительной энергией. Тогда мы видим, как гамма-квант превращается в электрон, а в море Дирака возникает дырка. Эта дырка должна вести себя как пузырек в вакууме: обладать положительным зарядом и массой, равной массе первоначального электрона. Другими словами, дырка должна вести себя как антиэлектрон. Иначе говоря, в этой картине мира антивещество состоит из «пузырьков» в море Дирака.
Всего через несколько лет после этого поразительного предсказания Карл Андерсон действительно обнаружил антиэлектрон, и в 1933 г. Дирак получил за свое предсказание Нобелевскую премию.
Другими словами, антивещество существует потому, что уравнение Дирака имеет два варианта решений — одно для вещества, другое для антивещества. (А это, в свою очередь, есть следствие специальной теории относительности.)
Уравнение Дирака предсказывает не только существование антивещества; оно предсказывает также существование у электрона «спина». Элементарные частицы могут вращаться подобно волчку. Спин электрона, к примеру, очень важен для понимания поведения электронов в транзисторах и полупроводниках, которые составляют основу современной электроники.
Стивен Хокинг сожалеет, что Дирак не запатентовал свое уравнение. Он пишет: «Дирак сделал бы состояние, если бы запатентовал уравнение Дирака. Он получал бы авторский процент с каждого телевизора, плеера, видеоигры или компьютера».
Сегодня знаменитое уравнение Дирака выбито на камне Вестминстерского аббатства, недалеко от могилы Исаака Ньютона. Это, пожалуй, единственное уравнение в мире, удостоенное такой исключительной чести.
Дирак и Ньютон
Пытаясь понять, как именно Дирак пришел к своему революционному уравнению и концепции антивещества, историки науки часто сравнивают его с Ньютоном. Интересно, что у Ньютона и Дирака действительно имеется немало сходных черт. Оба они работали в Кембриджском университете и свое главное открытие совершили в 20 лет с небольшим; оба прекрасно владели математикой. Кроме того, у них была еще одна общая черта: полное, доходящее до патологии, отсутствие социальных навыков. Оба славились своей неспособностью поддерживать светскую беседу и вообще вести себя в обществе. Дирак был болезненно застенчив; он никогда ничего не говорил, пока его прямо не спрашивали, да и на вопросы отвечал только «да», «нет» или «не знаю».
Мало того, Дирак был чрезвычайно скромен и ненавидел всяческую публичность. Когда ему дали Нобелевскую премию по физике, он всерьез думал, не отказаться ли — только из-за неизбежной известности и связанного с этим беспокойства. Но, когда ему указали, что отказ от Нобелевской премии принесет ему еще большую известность, он решил принять награду.
Об эксцентричности Ньютона написано немало трудов; гипотезы выдвигались самые разные: от отравления парами ртути до душевной болезни. Но недавно кембриджский психолог Саймон Бэрон-Коэн выдвинул новую теорию, которая могла бы объяснить странности одновременно и Дирака, и Ньютона.
Бэрон-Коэн утверждает, что оба они, вероятно, страдали от синдрома Аспергера, схожего с аутизмом — этой болезнью страдал гениальный безумец в фильме «Человек дождя». Люди, страдающие синдромом Аспергера, чрезвычайно замкнуты, не умеют держать себя в обществе и иногда обладают выдающимися математическими способностями; в отличие от больных аутизмом, они все же способны жить и работать среди людей. Если эта теория верна, то чудесные вычислительные способности Ньютона и Дирака, возможно, дорого им достались, ведь они прочно отгородили обоих от остального человечества.