Дырка посреди «океана» заполненных уровней отрицательной энергии послужила прообразом концепции антивещества. Спрашивается, как должен выглядеть случай, изображенный на фиг. 228, когда электрон совершает переход с одного из заполненных уровней с отрицательной энергией — с уровня 1—па уровень 2 с положительной энергией? Мы ожидаем увидеть электрон с энергией Е2 (спин ↑), так кат. уровень с такой энергией оказался теперь занятым. Но как воспринимать дырку? Мы считали нормальным положение, когда на месте дырки находился электрон вместе с другими электронами, заполняющими все уровни с отрицательной энергией. Когда же уровень 1 оказывается незаполненным, мы видим, если так можно выразиться, отсутствие электрона, подобно тому как Одиссей у Кафки слышал молчание (тишину) поющих сирен.

По мнению Дирака, мы воспринимаем отсутствие отрицательно заряженного электрона с отрицательной энергией как положительный заряд с положительной энергией. В самом деле, если мы постоянно видим в одном и том же месте пространства пять отрицательных зарядов, а потом вдруг обнаруживаем там лишь четыре заряда, то мы воспринимаем отсутствие отрицательного заряда как положительный заряд. Это относится не только к заряду частицы, но и к ее энергии. Действительно, если считать, что в нормальном состоянии все уроним с отрицательной энергией заполнены, то дырка должна означать у уменьшение отрицательной энергии, или увеличение положительной энергии. Так, например, если к руке привязать шары, наполненные гелием, а затем долго держать их, то в конце концов мы перестанем ощущать, их тягу вверх. Затем, если один из шаров неожиданно отцепится, мы станем ощущать меньшую тягу, что мы могли бы интерпретирован, как тягу вниз. Если считать, что энергия вакуума раина нулю (общепринятое соглашение), то энергия состояния, когда положительный уровень 2 занят, а отрицательный уровень 1 не заполнен, определяется следующим образом:

1

Таким образом, дырка ведет себя как положительная частица с положительной энергией. Если бы такая дырка обнаружилась, то электрон с положительной энергией смог бы ее заполнить (фиг, 229). Мы восприняли бы такой переход как взаимное уничтожение положительной и отрицательной частиц. Так появилось понятие антивещества, в данном конкретном случае — антиэлектрона.

Наблюдал ли кто-нибудь такие частицы? «Мы поэтому вынуждены предположить, — пишет Дирак, —

…что дырками в распределении электронов, обладающих отрицательной энергией, являются протоны. Когда электрон с положительной энергией падает в дырку и заполняет ее, мы должны наблюдать одновременное исчезновение электрона и протона, сопровождающееся испусканием излучения».

Дирак предполагал, что положительной частицей является протон. Спин протона равен 1/2, его заряд совпадает по абсолютной величине с зарядом электрона. Правда, возникало известное неудобство, связанное с тем, что масса протона почти в 2000 раз превышала массу электрона, но Дирак отмечал, что различие в массах происходит, возможно, из-за чрезвычайно сильного электрического взаимодействия между электронами, заполняющими отрицательные уровни. Если бы мнение Дирака оказалось верным, то его теория не только объясняла бы существование электронов, подчиняющихся принципу запрета, но и предсказывала бы существование протонов, что привело бы к полезной унификации частиц.

2

Однако Оппенгеймер сразу же заметил, что если бы протон был античастицей электрона, иными словами, если бы дырка в океане уров­ней с отрицательной энергией интерпретировалась как протон, то обычный электрон должен был бы упасть в эту дырку. Стало быть, электрон должен был аннигилировать с протоном, в результате чего от обеих частиц ничего бы не осталось, кроме света. Затем Оппенгей­мер вычислил скорость аннигиляции (вероятность перехода электрон + дырка → вакуум) и нашел, что время жизни обычного вещества (атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг протонов) должно быть порядка 10-10 с, что противоречило наблюдаемой устойчивости нашего мира. «Таким образом, — пишет Оппенгеймер, —

… вряд ли какое-нибудь состояние с отрицательной энергией может оставаться незаполненным. Если вернуться к предполо­жению, касающемуся двух независимых элементарных частиц, которые обладают зарядами разных знаков и различающимися массами, то мы…можем сохранить это предположение, считая, что причина не наблюдаемости переходов в состояние с отри­цательной энергией состоит в том, что все эти состояния запол­нены».

В этих словах чувствуются определенное замешательство и неко­торые сомнения. Но почти сразу же после работы Оппенгеймера поя­вилось сообщение Карла Андерсона, работавшего в Калифорнии:

«2 августа 1932 года при фотографировании треков космических лучей в вертикальной камере Вильсона (напряженность маг­нитного поля равна 15000 гаусс), созданной летом 1930 года профессором Милликеном и автором, были обнаружены треки, которые, как нам кажется, можно объяснить лишь существованием частиц, несущих положи­тельный заряд, но имеющих массу такого же порядка величи­ны, какой обычно обладает свободный отрицательный элек­трон».

Частица, открытая Андерсоном и названная потом позитроном, имела массу и спин электрона, а ее заряд и магнитный момент равня­лись по величине заряду и моменту электрона, но обладали противо­положными знаками. Когда позитрон сталкивался с электроном, они аннигилировали с излучением фотонов. Далее, при достаточно боль­шой энергии фотонов может появиться пара позитрон — электрон. Фактически предсказание всех этих явлений содержалось в теории Дирака, если отсутствие электрона с отрицательной энергией тракто­вать как наличие позитрона. Так появилась первая античастица.

Со временем теории удалось придать более симметричную форму. Теперь считают, что вакуум—это состояние с наинизшей (пулевой) энергией, в котором нет ни частиц, ни античастиц, а заряд вакуума равен нулю. Как электрон, заряженный отрицательно, так и его античастица позитрон, заряженный положительно, обладают положительными энергиями, которые удовлетворяют релятивистскому соотношению между энергией и импульсом. Частицы и античастицы абсолютно симметричны.

Когда в небольшом объеме концентрируется достаточное количество энергии, могут образоваться электрон-позитронные пары. (Эти частицы образуются парами, так как электроны, покидающие уровни с отрицательной энергией, оставляют на своих прежних местах дырки.) При наличии сильного магнитного поля положительные частицы закручиваются в одну сторону, а отрицательные—в другую. Такие характерные следы обнаруживаются время от времени на фотографиях треков энергичных частиц, сталкивающихся в магнитном поле.

Позитрон можно считать случайным странником в обычном веществе, и он живет в нем незначительное время, после чего аннигилирует с электроном, оставляя на своем месте лишь фотоны. Наличие у всех частиц со спином 1/2 (вернее, у всех частиц с полуцелым спином 1/2, 3/2, …) античастиц, которые отличаются от частиц и могут с ними аннигилировать, является следствием релятивистской квантовой теории. Такими частицами являются также протоны и нейтроны (их спин равен 1/2); недавно были обнаружены их античастицы. В зависимости от точки зрения открытие этих античастиц можно рассматривать либо как триумф теории, либо как тривиальное ее подтверждение. В течение многих лет теоретики жили верой в то, что античастицы протона и нейтрона действительно существуют. Эта вера, можно сказать, была своего рода паролем для вступления в их общество. Однако мы уже знаем, что те результаты, которых больше всего ожидают, должны быть получены прямым способом. Если бы не удалось обнаружить античастицу протона или нейтрона, или любой другой существующей частицы со спином 1/2, то пришлось бы провести радикальнейший пересмотр основ теоретической физики.