Текст книги "Охотники за частицами"

Автор книги: Виталий Рыдник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 17 страниц)

Все физические свойства частиц можно разбить на два класса, дополняющие друг друга. Но эти классы – как бы две стороны одной медали. Никогда не удастся одновременно увидеть обе стороны медали.

Да, мир сверхмалых частиц двулик. Но он являет каждый из своих ликов порознь в разного рода опытах, в разных явлениях.

И в этом виноват прибор, заявили Гейзенберг и Бор. Этот слон слишком груб, чтобы с его помощью можно было изучать тонкие детали атомного муравейника. А сделать прибор достаточно тонким, чтобы он не разгонял «муравьев», человек не может.

Значит, выхода нет: мир микрочастиц для нас принципиально точно не познаваем? Очень грустный вывод.

Получается, что есть предел могуществу человеческого знания. И находится этот предел не в бескрайних просторах Вселенной, а вот здесь, у нас под руками, и даже в нас самих.

Правилен ли такой вывод? Правильно ли обвинять приборы или электрон, ускользающий от точного измерения приборами? Ученые задумались. И некоторые из них пришли к другим выводам.

Они сказали: зачем обвинять приборы в недостаточном могуществе или электроны в непознаваемости? Более разумным было бы обвинять самих себя!

Мы потребовали от приборов таких сведений, которые те не могут представить. Например, сведения о точном положении и точной скорости электрона одновременно, то есть в конечном счете, о траектории электрона.

Точные положение и скорость, точная траектория движения… Все эти понятия мы притянули из классической физики. Все законы ее записаны на языке этих и подобных им понятий. А что, если сами эти понятия неприменимы к микромиру? Что, если попытка втиснуть атомный мир в их рамки есть насилие над природой?

Так оно и оказалось. У физики нет пока что понятий, чтобы точно описать поведение электронов и других микрочастиц. Она вынуждена для этого описания использовать уже давно сложившиеся понятия.

И еще хорошо, что эти понятия не отказывают немедленно, что они хоть немного работают в новом мире! И даже, честно говоря, не так уж «немного». Откройте любую книгу по квантовой механике, послушайте разговоры физиков, и вы на каждом шагу убедитесь в том, как широко физики используют старые понятия в новом мире.

Но до каких пор можно использовать эти старые понятия? Не беспредельно, разумеется. И пределы применимости классических понятий в атомном мире как раз указываются соотношениями неопределенностей Гейзенберга.

В нашем примере они касались понятий о местоположении и скорости электрона. Существуют и другие подобные соотношения. Одно из них, например, говорит, что, измерив точно энергию атомной частицы, нельзя сказать, в какой точно момент времени частица имела эту энергию. И наоборот, засекая точно время измерения, нельзя точно измерить энергию частицы.

Другое соотношение говорит, что нельзя одновременно со сколь угодно высокой точностью измерить потенциальную и кинетическую энергию частицы. Это и понятно: потенциальная энергия зависит от местоположения, кинетическая – от скорости частиц. А положение и скорость частицы одновременно абсолютно точно определить нельзя.

Но почему же тогда физики не заменят старые, отслужившие понятия новыми, более соответствующими атомному миру? Ответ на этот вопрос дается самим ходом развития человеческого знания.

Одна из величайших драм физики в том и состоит, что сами ученые с физической точки зрения – большие, «классические» предметы, обитающие в столь же большом мире. Ученых повседневно и повсеместно окружают явления, протекающие по классическим законам. Поэтому и понятия, складывающиеся в их головах, тоже имеют классический характер. Так, во всяком случае, обстояло дело с понятиями до начала нашего века, до прорыва в атомный мир.

Всем вещам в мире присуща инертность. И даже столь подвижная человеческая мысль не исключение. Очень трудно отказаться от понятий, имеющих почву в окружающем нас мире больших вещей, и выработать «нечувственные» представления о невидимом, неслышимом, неосязаемом мире, который, однако, существует ничуть не менее реально, чем большой мир. Мы уже говорили о том, что понятия, все же выработанные вопреки этим трудностям, – замечательная заслуга ученых.

Но сам процесс этот страшно тяжел, развивается очень медленно, новые понятия все еще несовершенны. Они зачастую несут на себе следы той самой половинчатости, в которой упрекали когда-то теорию Бора. Избавиться от этой половинчатости – дело науки ближайшего, а может быть, и отдаленного будущего.

Все же новые представления во многом истинны. С их помощью ученые смогли предсказать события, совершенно немыслимые в классическом мире. Об одном из них мы сейчас и расскажем.

Сквозь атомные заборы

…В саду за высоким забором растут яблоки. Возле забора с тоской в глазах прохаживается мальчишка. Уж очень желателен плод запретный! Но перелезть через высокий забор, кажется, нет никакой возможности.

Вы можете подойти к мальчишке и с сожалением сказать: «Эх, отчего ты такой большой и тяжелый! Вот будь ты в триллионы раз легче, ты бы сам по себе, без малейшего усилия, смог бы оказаться по ту сторону забора». После этой фразы мальчишка от удивления и думать перестал бы о яблоках.

Но как понять эти странные слова? Мы привыкли с полным основанием считать, что сквозь стены проникнуть невозможно. Такое бывает только в сказках. Вот и мальчишка подтверждает: «Что вы мне сказки рассказываете!» А все-таки это не сказки, а одно из замечательных открытий квантовой механики. Понятное дело, это возможно только для очень маленьких и легких частиц, которые и изучаются квантовой механикой.

Для классической физики «просачивание сквозь стены» – действительно чепуха, вещь абсолютно немыслимая. Такое явление противоречило бы не только здравому смыслу, но и основным законам физики.

Частица может преодолеть стенку, встретившуюся на ее пути, одним-единственным способом: перемахнуть через нее, набрав достаточную энергию. Если же энергии не хватает, то частица, налетев на стенку, должна отлететь обратно.

Совсем так, как отскакивает от борта бильярда шар, или как отражаются волны света от хорошего зеркала. Но не забудем, что каждой частице сопутствует особая волна – волна де-Бройля.

Как обстоит дело с зеркалами для этих необычных волн? Оказывается, такие зеркала существуют в виде стенок для частиц. Только эти стенки могут быть и невидимыми и неосязаемыми. Например, для электронов, находящихся в металле, такими стенками является наружная поверхность металла, а для частиц, находящихся в атомных ядрах, условная «поверхность» ядер.

Ученые назвали стены домов, в которых живут семьи атомных частиц, барьерами, а сами дома – неуважительно – ямами. Картинка действительно напоминает нам шарик в ямке, отделенной земляной насыпью от окружающего пространства.

Квантовая механика знает два рода барьеров. Одни барьеры могут быть хоть и невысокими, но бесконечно длинными: они похожи на лестничные ступеньки – имеют только одну переднюю сторону. Другие барьеры скорее похожи на заборы: они могут быть хоть и высокими, но имеют ограниченную ширину.

Барьеры первого рода для волн материи оказываются идеальными зеркалами. А второго рода напоминают зеркала, побывавшие в длительном употреблении, когда отражающий слой на них частично стерся. Обычные зеркала при этом слегка пропускают свет. Атомные зеркала оказываются чуть-чуть прозрачными для де-бройлевских волн.

В результате волны материи просачиваются сквозь барьеры. Но это же означает, что связанные с ними частицы получают некоторую вероятность очутиться вне барьеров. Иными словами, частица с энергией, недостаточной для преодоления барьера поверху, может все же оказаться за ним, как бы прорыв туннель сквозь барьер. Удивительное явление так и получило название туннельного эффекта.

Частицы полностью отражаются обратно хотя и низенькими, но зато безгранично длинными барьерами. А вот если барьер имеет определенную ширину, даже пусть он очень высок, частицы могут понемногу просачиваться сквозь него. Пунктир вроде туннеля в барьере показан на рисунке только для наглядности находиться внутри барьера частицы не могут. Это и есть туннельный эффект.

«Чушь! – заявляет классическая физика. – Вот тут-то я и подловлю квантовую механику. Прослежу за частицей и, как только она войдет в барьер, тут же схвачу ее: стоп, голубушка, попалась! А ну-ка, полезай на весы! И квантовую механику приглашу полюбоваться».

В самом деле, у старой физики, кажется, есть основания злорадствовать. Легко убедиться в том, что частице внутри барьера отвечает отрицательная кинетическая энергия.

Вспомним выражение для этой энергии: половина произведения массы на квадрат скорости. Квадрат всегда положителен, половина – тоже. Если кинетическая энергия отрицательна, то, значит, частица внутри барьера должна иметь отрицательную массу. За этим-то и собиралась старая физика тащить частицу на весы. И, кажется, не зря: отрицательную массу не признает даже революционно настроенная квантовая механика.

И вот классическая физика влечет свою противницу к самому атомному барьеру. Она словно желает, чтобы дуэль между ними происходила по всем правилам. Однако, вопреки ожиданию, квантовая механика нисколько не нервничает. Напротив, она любезно помогает установить приборы для решающего опыта. Но при этом чуть-чуть заметно усмехается: она-то знает, как ведут себя приборы в атомном мире!

Начинается опыт. Прибор должен поймать частицу внутри барьера. При этом неважно, в каком месте, – достаточно лишь уличить частицу в том, что она находится где-то под барьером. Поэтому для опыта берутся кванты света с длиной волны, понятно, не более ширины барьера.

Частица засечена в яме, она движется по направлению к барьеру, прибор включен… – и классическая физика удивленно протирает глаза. Частица прошла над барьером! Несмотря на то, что ей недоставало энергии перемахнуть через барьер!

А квантовая механика громко и обидно смеется над еще раз поверженной противницей. Поимка не удалась. И мы догадываемся уже, почему. Измерительный прибор, вмешавшись в «незаконное» явление, добавил частице как раз столько энергии, что смог перебросить ее над барьером.

Нет, о том, чтобы уличить частицу в момент просачивания сквозь барьер, не может быть и речи. А вместе с тем частицы просачиваются сквозь барьеры!

Туннельный эффект работает

И это не выдумка хитрой квантовой механики.

Вот два доказательства. Из холодного куска металла электроны не вылетают: это факт, твердо установленный. Но раскаленный кусок металла обильно испускает электроны. Все нити накала радиоламп используют именно это явление. Электроны в холодном куске металла имеют недостаточную энергию для преодоления барьера-ступеньки на границе куска металла. При нагревании они увеличивают свою энергию и преодолевают барьер на границе металла вполне законным с точки зрения старой физики способом.

Квантовой механике здесь еще нечего делать. Но приложим к холодному куску металла сильное электрическое поле. Оно увеличит энергию электронов. Подберем, однако, это поле так, чтобы переданной им электронам энергии все же было недостаточно для их вылета за пределы куска металла. Поле, в сущности, лишь перекосит барьер на границе металла, превратит его из лестничной ступеньки в забор.

И этого достаточно. Электроны начинают просачиваться сквозь барьер. Возникает так называемая холодная эмиссия электронов. Это явление используется в целом ряде замечательных электронных приборов. А вот и второе доказательство: из тяжелых атомных ядер при радиоактивном распаде вылетают альфа-частицы. Ядро существует? Существует. Значит, в общем, подавляющее большинство частиц в нем не имеет возможности покинуть его. Именно подавляющее большинство: альфа-частица уносит с собой лишь какие-то жалкие два процента массы ядра.

Получается так, словно ядерная семья живет в доме, отгородившемся высоким и глухим забором от своих соседей. Может быть, альфа-частицы удирают из этого дома, перемахнув через забор? Не похоже: уж очень высок забор и очень незначительна по сравнению с его высотой энергия альфа-частиц.

И тогда американский физик Джордж Гамов вспоминает о туннельном эффекте, для которого не существует глухих заборов. Альфа-частицы просачиваются через барьер на границе ядра! И проведенный им расчет отлично подтверждается на опыте. Этот расчет произведен в конце двадцатых годов нашего века.

О «вращающихся» частицах

Неистощимые спектры! Сколько открытий принесли они физикам, химикам, астрономам! Именно из многоцветья спектров рождалась первая теория атома Нильса Бора. Именно с помощью спектров химики открыли множество химических элементов, научились производить точнейшие химические анализы. Именно спектры позволили астрономам проникнуть в бескрайние просторы Вселенной и «пощупать» строение звезд и состав межзвездных пространств.

В 1925 году спектры поднесли физикам еще одно замечательное открытие. Оно ждало своей очереди добрых тридцать лет, с тех пор как голландский ученый Питер Зееман обнаружил удивительное расщепление спектральных линий в магнитном поле.

Картина была в самом деле поразительной. Узкая яркая линия, стоило внести источник света в магнитное поле, вдруг исчезала. На ее месте, словно осколки, оказывалась группа более слабых линий. Росло поле, и линии расходились, сливаясь друг с другом. Наконец в сильном поле оставались только две или три линии.

Понятно, в чем дело, заявили физики после создания первой теории атома. Электрон кружится по орбите вокруг ядра, словно малюсенький круговой ток. И этот ток ведет себя, как крошечный магнитик. Помести его в большой магнит, и они начнут взаимно влиять друг на друга.

На большом магните влияние маленького, конечно, никак не скажется. Но на маленьком магните оно проявится совершенно отчетливо: он изменит свою энергию. Орбита электрона чуть-чуть сместится, прыжки электрона между орбитами станут чуть длиннее или чуть короче.

Этого достаточно: спектральные линии изменят свое положение. Вместо одной линии на ее месте появится ряд смежных линий.

И расчет действительно неплохо подтверждает такое представление. Неплохо – в данном случае означает лишь: очень часто, но не всегда. Иной раз и «осколки» линии не там, где им полагалось бы находиться, иной раз и число «осколков» не то, что предсказывается.

Складывается такое впечатление, что электронный магнитик временами то слишком слаб, то слишком силен. Словно есть в нем какой-то дополнительный магнитик, который то складывается с основным магнитиком, то вычитается из него.

Дополнительный магнитик? Значит, дополнительный ток? Какому же еще движению электрона должен отвечать этот ток?

Движению вокруг самого себя! Электрон вращается не только вокруг «солнца» – ядра, но и как полагается настоящей «планетке» – вокруг самого себя!

Первым в 1921 году эту мысль высказывает Артур Комптон. Она проходит незамеченной.

Вторым в январе 1925 года эту мысль высказывает Роберт Крониг. Она встречает довольно резкую критику.

Третьими в сентябре 1925 года эту мысль высказывают Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит. Они ничего не знают о том прохладном приеме, который встретил догадку Кронига. Более того, отдав статью своему учителю, замечательному физику Павлу Сигизмундовичу Эренфесту, они через несколько дней обнаружили, что из их идеи вытекает вопиющее следствие. Скорость на «поверхности» вращающегося вокруг себя электрона должна во много раз превышать скорость света!

Да ведь это же совершеннейший абсурд! Это же запрещено теорией относительности Эйнштейна! Ученики с превеликим беспокойством бегут к учителю, перебивая друг друга, рассказывают об этом, просят обратно свою статью. А Эренфест с улыбкой отвечает: «Я уже направил вашу статью в печать. Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать глупость!»

И «глупость» совершается: статья выходит в свет. Чудесная «глупость» – побольше бы таких! Спустя два месяца заново пересчитываются зеемановские «осколки» спектральных линий с помощью добавки к электронному магнитику. И что же – теперь блестящее согласие!

Так в физику входит вращающийся электрон. «Спин» – так названо новое явление: электрон, словно крошечный волчок («волчок» – и есть по-английски «спин»).

Замечательно! Но как понимать слова о вращении электрона? Они же сказаны в то время, когда квантовая механика выбрасывает траектории электрона. Когда она заменяет орбиты «волнами вероятности» и показывает, что бессмысленно говорить о вращении электрона вокруг ядра.

А тут еще «вращение вокруг самого себя»! Да где та ось, вокруг которой вертится электрон? Нет ее. Сам электрон в те годы изображается точкой без всяких размеров, – как в таком случае понимать «вращение точки»? Никак нельзя понимать, и единственное наглядное, казалось бы, представление в атомном мире тут же теряет наглядность.

Нет, это не вращение! Похоже, но совсем не то же. Какое-то очень быстрое (но, конечно, не быстрее света, как думали Уленбек и Гаудсмит) движение электрона. В декабре 1925 года Эйнштейн высказывает мысль, что это движение должно быть объяснимо с позиций теории относительности.

Мысль Эйнштейна будет ждать своего подтверждения три года. Но уже в январе 1925 года швейцарский физик Вольфганг Паули делает важное открытие, связанное с существованием спина. Самое поразительное, что он еще ничего не знает о спине. Более того, при встрече с Кронигом он отговаривает того от «бредовой» мысли о спине!

Паули приходит к своему открытию, анализируя то же явление Зеемана. Он заключает, что на каждом дозволенном уровне энергии в атоме может находиться не более двух электронов. Если нижние уровни уже заняты, то новоприбывший электрон должен селиться на более высоких уровнях. Обосновать открытую им закономерность Паули не может.

Для этого нужен тот самый спин, который сам Паули отвергает. Но спустя год Паули вынужден изменить свою точку зрения. И тогда оказывается, что принцип, установленный им, универсален. Он равно применим ко всем электронам во всех атомах. Да и не только в атомах – в любых коллективах, в которые природа сводит электроны.

И не только электроны – любые частицы с такой же величиной спина, как у электрона. В частности, принцип Паули вполне применим к протонам. Он оказывается одним из важнейших кирпичей в здании квантовой механики.

Теперь действительно все в сборе.

Экспериментаторы подготовили свое хитроумное охотничье снаряжение. Теоретики подтянули тылы – им предстоит большая работа по разделке охотничьих трофеев. На порог встают тридцатые годы. Охота за частицами начинается!

Глава 4
Частица, выпрыгнувшая из зеркала

О пользе альпинизма

Однажды я отправился с группой альпинистов на Памир. Восхождение было тяжелым. В день удавалось пройти совсем немного. Быстро наступал вечер. Как всегда в горах, сумерек почти не бывало. Солнце сваливалось за горы, и сразу наступала ночь, а с нею холод.

На ветру разбивались палатки, разогревался немудреный альпинистский ужин, и мы залезали в спальные мешки, тревожно прислушиваясь к тому, как ветер свистит и рвет полу палатки. Начинались разговоры, обычно веселые, иногда даже разгорались споры, несмотря на то что за день все доходили до свинцовой усталости.

И однажды кто-то из нас, будучи, видимо, в философском настроении, сказал: «Братцы, а чего мы, собственно говоря, лезем в горы? Что нам, внизу места мало?»

Вопрос, конечно, был полушутливым. Но разгорелся жаркий спор. Ребята в основном были студенты и два-три научных работника. Может быть, поэтому тема спора быстро «съехала» на то, чтó вообще заставляет человека искать неизведанное, подвергать себя трудностям и лишениям. Причем делать это добровольно и не задумываться над тем, что ждет в конце пути.

«Я думаю, что внизу, в обжитых местах, просто скучновато, – сказал один из нас, огромный парень с совершенно детскими глазами. – Ну, чего я там не видел? А вот здесь, на горе, – все новое, даже облака новые, ветер дует по-другому, чем в долине. А простор какой!»

«Простор в самом деле огромный. На сотни километров видно», – согласился с ним другой студент, такой щуплый на вид, что было просто непонятно, как он тащит на себе рюкзак соизмеримых с ним размеров. Он считался у нас философом, поэтому над ним охотно подтрунивали.

«А зачем тебе видеть на сотни километров? – невинно спросила молодая наша спутница. – Ты что, хочешь быть орлом?» Мы все на минуту представили себе нашего философа в роли орла и весело рассмеялись.

«Нет, братцы, серьезно! – не сдавался он. – Орлу можно позавидовать. Ему бы еще наши мозги. Чтобы он умел обобщать результаты своих наблюдений. Гениальная птичка была бы!»

Мы опять посмеялись и еще немножко поспорили о том, что, в сущности, такое гениальные ученые. Но усталость взяла свое, и спор быстро погас.

Я вспомнил о нем, начав писать эту главу. Да, в словах маленького альпиниста была доля истины. Один из признаков гениальности ученого заключается именно в том, что он, подобно альпинисту, может высоко подняться над долиной привычного, каждодневного и увидеть мир в новом и резком свете гор.

Тяжел, очень тяжел этот подъем на гору. Идешь, идешь, а вершина все далеко. Она словно и не приближается к тебе. Открываются новые широкие просторы, но обязательно горизонт загораживают другие горы. И чем выше, тем круче подъем, тем меньше твердой почвы, на которую можно опереться, тем труднее дышать разреженным горным воздухом.

Но ничего не поделаешь. Любознательность, которая толкает ученых вперед, необорима.

Первые шаги

Отряд альпинистов, совершающих восхождение на гору квантовой механики, множится с каждым годом, с каждым новым успехом. Одним из первых к этому отряду присоединяется молодой англичанин французского происхождения – Поль Адриен Морис Дирак.

Пока на горе места много. В квантовой механике еще тьма нерешенных проблем. На земном шаре физика пока еще не столь популярна, физики еще не в большом числе. А тех, кто безоговорочно уверовал в истинность новой теории, и того меньше. Как шутливо говорят ученые, давки еще нет.

Дирак разглядывает горизонты. Его внимание привлекает холм неподалеку. Верхушка холма теряется в тумане, но холм не кажется недоступным. Неприятно то, что он загораживает внушительную часть горизонта.

Дираку только двадцать с немногим лет, и он полон юношеского задора. Он решает отколоться от основного отряда альпинистов и в одиночку покорять холм. На языке физики сей холм называется – «синтез квантовой механики и теории относительности».

Старая квантовая теория Нильса Бора позволила подсчитать, что электроны в атомах движутся с весьма высокими скоростями – в десятки тысяч километров в секунду. Правда, это еще далековато от скорости света, которая составляет триста тысяч километров в секунду.

Теория относительности Альберта Эйнштейна – она в тот год может отметить свое двадцатилетие – говорит, что все удивительные вещи с телами начинают отчетливо проявляться лишь при скоростях тел, довольно близких к скорости света. Во всяком случае, при скоростях порядка сотни тысяч километров в секунду.

К таким скоростям электроны могут приближаться лишь в самых тяжелых атомах, заполняющих последние клетки периодической таблицы химических элементов. Но не это обстоятельство занимает сейчас Дирака. Раз в принципе околосветовые скорости электронов возможны, значит, в квантовую теорию надо включить и их. Если хотите – впрок.

С самого начала выясняется, что забраться на холм не так-то просто. Первые же камни, на которые ступает Дирак, ускользают из-под его ног.

Теория относительности резко разграничивает движения со скоростями меньше и больше скорости света. Первые – возможны, вторые – нет. Квантовая механика, однако, не столь категорична в своих суждениях. Вспомним хотя бы гейзенберговские соотношения неопределенностей. Они утверждают, что, чем определеннее мы пытаемся узнать место, где находится частица, тем более неопределенной становится ее скорость.

Это глубокое различие в подходе двух теорий – теории быстрых движений больших тел и теории медленных движений маленьких тел – в те годы еще не осознается физиками. Дирак видит лишь, что решения составленного им уравнения, которое является развитием основного уравнения квантовой механики на быстрые движения, не обладают релятивистской инвариантностью.

Ворота в рай

Страшные это слова – «релятивистская инвариантность». Страшные своей неумолимостью. Если теория не обладает этим свойством, физики без разговоров сдают ее в архив. Все равно прока от нее не будет.

Что же означают эти страшные слова? Не удивляйтесь: вам, оказывается, хорошо известен скрытый в них смысл. Еще в первые годы изучения физики в школе вы узнаёте такое важное понятие, как система отсчета для движения тел, и такое важнейшее положение, что законы движения тел не должны зависеть от того, как вами выбрана система отсчета, в которой изучаются эти движения. Это и понятно: представляете себе, какой произвол воцарился бы в мире в противном случае!

Вам известны и приводимые тому примеры. Если вы играете в волейбол на равномерно плывущем пароходе, то мяч летает точно так же, как если бы вы играли на лужайке. И уравнения движения этого мяча в «системе отсчета» судьи, сидящего на вышке, ничем не отличаются друг от друга в обоих случаях.

Точно так же нет различия между тем, как идут ходики в равномерно движущемся поезде или в доме стрелочника на полустанке, мимо которого проносится поезд. И в том и в другом случае движение маятника часов описывается одним и тем же уравнением.

На языке физики это положение называется принципом относительности Галилея. Почти три века в справедливости этого принципа никто не сомневался.

Но вот приходит Альберт Эйнштейн и доказывает, что принцип Галилея верен лишь для сравнительно медленных движений тел. Для быстрых движений он принимает иной вид. Теперь его надо заменять принципом относительности Эйнштейна.

Здесь мы не будем описывать открытия Эйнштейна. Это описание можно найти в любой популярной книге по теории относительности. Укажем лишь на гораздо более высокую требовательность этого принципа.

Принципу Галилея часто угодить довольно легко. Как выразился один физик, «этот принцип протестует только в том случае, когда к нему подносят на проверку теории неравномерных, ускоренных движений».

Принцип Эйнштейна гораздо более разборчив. Со времени своего открытия он успел отвергнуть множество скороспелых теорий, на вид таких правильных и убедительных. Прошли старые добрые времена. Теперь ворота, через которые может пройти в рай физическая теория, стали очень-очень узкими.

На теориях, не пролезших сквозь эти ворота, принцип Эйнштейна ставит железное клеймо: «релятивистски неинвариантны». А по-русски: «уравнения и решения теории зависят от выбора системы отсчета при движении тел с околосветовыми скоростями».

Странный «минус»

Жаль, думает Дирак. Придется искать другие, обходные пути на холм. С принципом Эйнштейна не спорят.

После раздумий Дирак составляет другое уравнение. Оно гораздо сложнее первого, но в одном печалиться нет оснований. Строгая проверка его решений показывает, что на сей раз они релятивистски инвариантны. Причем – все.

Как это понять? Разве у уравнения Дирака не одно решение? Оказывается, нет: оно имеет целых четыре решения! И вместе с тем все они описывают один и тот же электрон.

Понять смысл первых двух решений удается сравнительно быстро. Осматривая окрестности с высоты первой завоеванной ступеньки, Дирак замечает явление, открытие которого имеет к тому времени почти трехлетнюю давность. Это открытие спина Уленбеком и Гаудсмитом, о чем мы уже рассказывали в предыдущей главе.

Погрешив против истины, ученые вначале для простоты объясняли спин, как некое «собственное вращение» электрона. И летящий электрон уподобили снаряду, выпущенному из нарезного орудия: он и летит и вращается одновременно.

Почему бы не существовать орудиям как с правой, так и с левой нарезкой? Тогда один снаряд вращался бы в полете по часовой, а другой – против часовой стрелки. Спин такого снаряда в одном случае «смотрел» бы, например, вдоль, а в другом – против направления движения.

Не все ли равно? Действительно, оба направления вращения нельзя никак отличить друг от друга не только у снарядов, но и у электронов. Так будет казаться физикам еще добрых тридцать лет. И только тогда выяснится, что… впрочем, всему свое время.

Пока что Дирак принимает, что для электрона возможна как правая, так и левая «нарезка». Этим двум направлениям спина и отвечают первые два решения. Остаются еще два. С ними дело обстоит гораздо сложнее.

Вернее, с одним из них. Как оказывается, оно соответствует отрицательной полной энергии электрона.

Что же в этом необычного? Физикам отрицательная полная энергия в диковинку. Она отвечает несвободным частицам, например электронам в атоме, в куске металла и вообще в любой яме. Собственно, отрицательность энергии означает лишь, что частица не может двигаться, как ей вздумается. Она находится в коллективе других частиц, связана в нем, а значит, следует правилам поведения, принятым в этом коллективе.

Но уравнение Дирака написано ведь для совершенно свободного электрона!

Да, интересное положение…

Потенциальная энергия у любой свободной частицы, как известно, равна нулю, и полная ее энергия совпадает с кинетической. Отрицательная кинетическая энергия! Мы с этим уже встречались: помните туннельный эффект?

Только там это на поверку оказалось фикцией, а здесь – чистой явью. И следствие этого вам тоже понятно: значит, отрицательна масса электрона.

Замечательно! Если бы из таких, с позволения сказать, частиц состоял, например, поезд, то он двигался бы сверхоригинально. Локомотив тащил бы его, скажем, в Ленинград, а поезд преспокойно удалялся бы в Москву!

Дирак и сам понимает, что это «замечательно». Любой человек на его месте поступил бы так, как делает, когда у него в ответе получается: «площадь дома равняется ±100 квадратных метров». Отбросил бы минус, как не имеющий никакого физического смысла.

Дирак, как англичанин, может быть полон здравого смысла. Но как истинный ученый, он пытается докопаться до происхождения этого «минуса».

Проходит немного времени, и Дирак превращает странный «минус» в один из самых выдающихся «плюсов» за всю историю физики!

Минута затишья

Довольно быстро выясняется, что все становится на свои места, если отрицательную энергию приписать положительно заряженной частице. Такая частица физикам известна – это протон.

Можно обрести успокоение, но ненадолго. Спустя полгода Роберт Оппенгеймер доказывает, что такой частицей протон быть не может. Он слишком массивен: положительная частица должна иметь такую же массу, что и электрон.