Приключения Мистера Томпкинса - Георгий Гамов

И с этими словами П.А.М. исчез, испустив яркую вспышку света.

— Сэр, — послышался над ухом мистера Томпкинса чей-то раздраженный голос, — вы можете сколько угодно спать на лекции, если вам так нравится, но не храпите так громко! Я не могу расслышать ни слова из того, что говорит профессор.

Открыв глаза, мистер Томпкинс увидел снова переполненную лекционную аудиторию и старого профессора, который продолжал:

— Посмотрим, что произойдет, когда странствующая дырка встречает на своем пути лишний электрон, занятый поиском местечка поудобнее в океане Дирака. Ясно, что в результате такой встречи лишний электрон неизбежно свалится в дырку, заполнит ее и удивленный физик, наблюдая этот процесс, отметит явление взаимной аннигиляции положительного и отрицательного электронов. Высвободившаяся при падении электрона в дырку энергия испускается в виде коротковолнового излучения и представляет собой лишь остаток от двух электронов, поглотивших друг друга, как два волка из известной детской сказки.

Но можно представить себе и обратный процесс, в котором пара частиц, состоящая из отрицательного и положительного электронов, рождается из ничего под действием мощного внешнего излучения. С точки зрения теории Дирака, рождение пары представляет собой просто выбивание электрона из непрерывного распределения, и рассматривать его следовало бы не как рождение, а как разделение двух противоположных по знаку электрических зарядов. На рисунке, который я сейчас покажу вам (с. 205), эти два процесса рождения и уничтожения электронов изображены весьма условно и схематично, но, как вы видите, ничего загадочного в них нет. Должен заметить, что хотя процесс рождения пары, строго говоря, должен происходить в абсолютном вакууме, вероятность его очень мала. Можно сказать, что распределение электронов в вакууме слишком гладко, чтобы распасться. С другой стороны, в присутствии тяжелых материальных частиц, служащих точкой шоры для гамма-излучения, внедряющегося в распределение электронов, вероятность рождения пары сильно возрастает, и процесс становится наблюдаемым.

Ясно, что позитроны, рожденные описанным выше образом, не могут существовать очень долго и вскоре аннигилируют при встрече с одним из отрицательных электронов, обладающих в нашем уголке Вселенной большим численным преимуществом. Именно этим объясняется сравнительно позднее открытие таких замечательных частиц, как позитроны: первое сообщение о положительно заряженных электронах было сделано лишь в августе 1932 г. (теория Дирака была опубликована в 1930 г.) калифорнийским физиком Карлом Андерсоном, который, занимаясь исследованием космического излучения, обнаружил частицы, во всех отношениях напоминавших обычные электроны, но имевших одно важное отличие: вместо отрицательного заряда эти частицы несли положительный заряд. Вскоре после открытия Андерсона мы научились очень просто получать электрон-позитронные пары в лабораторных условиях, пропуская сквозь какое-нибудь вещество мощный поток высокочастотного излучения (радиоактивного гамма-излучения).

На следующем слайде, который я хочу показать вам, вы увидите снимки позитронов, обнаруженных в космическом излучении с помощью камеры Вильсона, и самого процесса рождения пары. Камера Вильсона — один из самых полезных приборов современной экспериментальной физики. Действие ее основано на том, что любая частица с ненулевым электрическим зарядом, пролетая через газ, образует вдоль своего трека множество ионов. Если газ насыщен водяными парами, то крохотные капельки воды конденсируются на этих ионах, образуя тонкий слой тумана, тянущийся вдоль всего трека. Освещая эту полоску тумана сильным пучком света на темном фоне, мы получаем великолепные картины, на которых отчетливо различимы все детали движения.

На первой из двух картинок, спроецированных на экран, вы видите оригинал снимка позитрона, обнаруженного Андерсоном в космическом излучении. Замечу, что это самый первый из когда-либо сделанных снимков позитрона. Широкая горизонтальная полоса, идущая через весь снимок, — след толстой свинцовой пластины, положенной поперек камеры Вильсона, а трек позитрона выглядит, как тонкая искривленная царапина, идущая через снимок. Трек искривлен потому, что во время эксперимента камера Вильсона была помещена в сильное магнитное поле, влиявшее на движение позитрона. Свинцовая пластина и магнитное поле понадобились Андерсону для того, чтобы определить знак электрического заряда, переносимого частицей. Сделать это можно на основе следующих соображений. Известно, что производимое магнитным полем изгибание траектории зависит от знака заряда движущейся частицы. В эксперименте Андерсона магнит расположен так, что отрицательно заряженные электроны отклоняются от первоначального направления движения влево, а положительно заряженные электроны — вправо. Следовательно, если частица на снимке двигалась вверх, то она должна была нести отрицательный заряд. Но как узнать, в какую сторону двигалась частица? Для этого и понадобилась Андерсону свинцовая пластина. Пройдя сквозь свинцовую пластину, частица неизбежно теряет некую часть своей первоначальной энергии, и поэтому изгибающее действие магнитного поля усиливается. На снимке, который вы видите на слайде, трек изогнут сильнее под свинцовой пластиной (различие в изгибах не слишком видно на глаз, но отчетливо заметно при измерении). Следовательно, частица двигалась сверху вниз и несла положительный заряд.

На правом снимке (с. 206), полученном Джеймсом Чедвиком из Кембриджского университета, вы видите рождение пары в камере Вильсона. Сильное гамма-излучение поступает в камеру снизу и, не оставляя на снимке видимых следов, порождает в центре камеры пару частиц, которые разлетаются в сильном магнитном поле в разные стороны. Глядя на этот снимок, вы можете гадать, почему позитрон (на снимке он слева) не аннигилирует на своем пути через газ. Ответ на этот вопрос также дает теория Дирака, и этот ответ понятен каждому, кто играет в гольф. Если, поставив шар на травяное поле, вы ударите по нему слишком сильно, то шар не попадет в лунку, даже если вы точно прицелились. Произойдет нечто иное: быстро движущийся шар просто перепрыгнет через лунку и покатится дальше. Точно так же быстро движущийся позитрон не попадет в дырку Дирака, покуда его скорость существенно не уменьшится. Поэтому позитрон имеет большую вероятность аннигилировать в конце траектории, когда столкновения с другими частицами по дороге основательно замедлят его. И, как показывают тщательные наблюдения, излучение, сопровождающее любой процесс аннигиляции, действительно обнаруживается в конце траектории позитрона. В этом — еще одно подтверждение теории Дирака.

Нам остается еще обсудить два общих вопроса. До сих пор я рассматривал отрицательно заряженные электроны как лишние брызги переполненного океана Дирака, а позитроны — как дырки в нем. Но вполне допустима и противоположная точка зрения, согласно которой обычные электроны надлежит рассматривать как дырки, а позитроны — как выброшенные частицы. Для этого нам необходимо лишь предположить, что океан Дирака не переполняется, а, наоборот, всегда испытывает недостаток частиц. В этом случае распределение Дирака можно наглядно представить как нечто напоминающее кусок швейцарского сыра с множеством дыр в нем. Из-за общей нехватки частиц дырки будут существовать всегда, и даже если какая-нибудь частица окажется выброшенной из распределения, она вскоре снова упадет в одну из дырок. Следует сказать, однако, что как с физической, так и с математической точки зрения обе картины абсолютно эквивалентны, и поэтому совершенно безразлично, какой из картин мы отдадим предпочтение.

Второе замечание можно сформулировать в виде следующего вопроса: «Если в той части Вселенной, где мы обитаем, существует явное численное преобладание отрицательно заряженных электронов, то можно ли предположить, что где-то в другой части Вселенной численное преимущество наблюдается за положительно заряженными электронами?» Иначе говоря, компенсируется ли переполнение океана Дирака в нашей окрестности недостатком отрицательно заряженных электронов где-то в другом месте?

Ответить на этот чрезвычайно интересный вопрос очень трудно. Действительно, так как атомы, состоящие из положительно заряженных электронов, которые обращаются вокруг отрицательно заряженного ядра, давали бы такие же оптические картины, как и обычные атомы, не существует способа ответить на этот вопрос с помощью спектроскопических наблюдений. Судя по всему, что мы знаем, вполне возможно, что образование вещества где-нибудь в Туманности Андромеды происходит «наоборот» по отношению к привычной для нас схеме, но единственный способ подтвердить или опровергнуть подобную догадку состоит в том, чтобы раздобыть кусочек того вещества и проверить, не аннигилирует ли оно при соприкосновении с земным веществом. Разумеется, в случае аннигиляции последует ужасный взрыв! В последнее время стали поговаривать о том, что некоторые метеориты, взорвавшиеся при вхождении в земную атмосферу, возможно, состояли из такого «перевернутого» вещества, но я не думаю, чтобы подобные разговоры следовало принимать всерьез. Не исключено, что вопрос о переполнении океана Дирака в одних частях Вселенной и нехватке частиц в других ее частях навсегда останется без ответа.