2.1.7. Море Дирака

2.1.7. Море Дирака

Создателям квантовой механики поначалу было не до эфира, им хватало забот с непривычным новым миром, где энергия дробилась на порции, волна оказывалась частицей, а частица — волной.

Но теория относительности и теория квантовой механики должны были встретиться и начать как-то учитывать открытия, сделанные каждой из них, уже потому, что элементарные частицы способны двигаться почти со скоростью света, а фотоны же вообще движутся только со световой скоростью.

Частица и античастица

Первым начал процесс объединения двух теорий английский физик Поль Дирак. Частиц тогда — к 1928 году — было известно только три: фотон, электрон и протон. Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света); электрон — элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным (как условились считать) зарядом, был открыт Томсоном в 1891 году; протон — стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Самым “старым” был электрон. С ним физики были знакомы уже десятки лет. Понятно, что с электронов и следовало начинать.

Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов и квантовой механики и теории относительности и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давая два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией, другое — частице, у которой энергия была отрицательной. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (18, с. 163).

Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных “антиблизнецов”. Используя результаты экспериментов швейцарского ученого В. Паули, Дирак сделал потрясающий вывод: “Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане” (69, с. 16). Сравнение с океаном (или морем) оказалось удачным. Вакуум нередко называют “морем Дирака”. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события (83, с. 16).

Чтобы лучше понять это положение, рассмотрим такую аналогию. Человеческий глаз видит только то, что движется относительно него. Очертания неподвижных предметов мы различаем только потому, что человеческий зрачок сам постоянно движется, А многие животные (например, лягушка), не обладающие таким аппаратом зрения, способны, не двигаясь, видеть только движущиеся предметы.

Все мы, живущие в “море Дирака”, оказываемся по отношению к нему в положении лягушки, застывшей на берегу пруда в ожидании неосторожного насекомого. Летящее насекомое она увидит и не шелохнувшись, а пруд в безветренную погоду без бегущей по воде ряби для нее невидим. Так и для нас: фоновые электроны мы не видим, а в роли насекомого выступают редкие по сравнению с фоновыми электронами частицы с положительной энергией.

В 1956 году П. Дирак приезжал в Москву и выступил там с лекцией “Электроны и вакуум”. Он напомнил в ней, что мы не так уж редко встречаемся в физике с объектами, вполне реально существующими и тем не менее до случая никак себя не проявляющими. Например, невозбужденный атом, находящийся в состоянии наименьшей энергии. Он не излучает, значит, если на него никак не действовать, он останется ненаблюдаемым. В то же время мы точно знаем, что и такой атом не представляет собой нечто неподвижное: электроны движутся вокруг ядра, и в самом ядре идут обычные процессы.

Океан ненаблюдаем только до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в “море Дирака” попадает, скажем, богатый энергией световой квант — фотон, то он при определенных условиях заставляет “море” выдать себя, выбивая из него один из многочисленных электронов с отрицательной энергией. И, как утверждает теория, родятся сразу две частицы, которые можно будет обнаружить экспериментально: электрон с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом и антиэлектрон тоже с положительной энергией, но еще и с положительным зарядом.

В подтверждение теории Дирака в 1932 году американский физик К. Д. Андерсон экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном (18, с, 59).

Теперь уже доказано, что для каждой элементарной частицы в нашем мире существует и античастица.

Все это не придумано, а открыто, обнаружено, тысячекратно проверено и перепроверено, А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.

Знаменитый физик В. Гейзенберг подчеркивал принципиальное значение работ Дирака над проблемой вакуума. До них считалось, что вакуум есть чистое “ничто”, которое, что бы с ним ни делать, каким преобразованиям ни подвергать, измениться не способно, всегда оставаясь все тем же ничем. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее “ничто” обращалось бы во множество пар частица-античастица.

Виртуальные частицы

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю и без реальных частиц. Это электромагнитное поле без фотонов, это пионное поле без пи-мезонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов.

Но раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми потому, что там нет частиц. Удивительная вещь; колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики считают, что при колебаниях рождаются и исчезают кванты. Колеблется электромагнитное поле — рождаются и пропадают фотоны, колеблется пионное поле — появляются и исчезают пи-мезоны и т, д. Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме. Компромисс такой: частицы рождаются при нулевых колебаниях, живут очень недолго и исчезают, Однако, получается, что частицы, рождаясь из “ничего” и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимый закон сохранения массы и энергии. Тут вся суть в том “сроке жизни”, который отпущен частицам: он настолько краток, что “нарушение” законов можно лишь вычислить теоретически, но экспериментально это наблюдать нельзя. Родилась частица из “ничего” и тут же умерла. Например, время “жизни” мгновенного электрона, примерно, 10-21 секунды, а мгновенного нейтрона 10-24 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как и электрон, если его не трогать.

Поэтому частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя, назвали, в отличие от обычных, реальных, — виртуальными, В точном переводе с латыни — возможными. Но считать, что данные частицы только возможны, а па самом деле их нет — неверно. Эти “возможные” частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как это наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных частиц и даже на микроскопические тела (69, с. 67). И если отдельную виртуальную частицу физика обнаружить не может, то суммарное их воздействие на обычные частицы фиксируется отлично.

Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучаются взаимодействия элементарных частиц, но и в эксперименте с макротелами- Две пластины, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться. Этот факт был открыт в 1965 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром.

По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

Оказалось также, что виртуальные частицы возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Поляризация вакуума

Реальный электрон притягивает к себе виртуальные позитроны и отталкивает виртуальные электроны — по знакомому нам закону притяжении разноименных и отталкивания одноименных электромагнитных зарядов. В результате вакуум поляризуется, поскольку заряды в нем оказываются разделенными пространственно. Электрон оказывается окруженным слоем виртуальных позитронов. И каждая элементарная частица движется в сопровождении целой свиты из виртуальных частиц. Такое облако виртуальных частиц вокруг частицы реальной часто называют шубой и даже не ставят кавычек. Такая виртуальная шуба мешает разглядеть саму реальную частицу.

Член-корреспондент АН СССР Д. И. Блохинцев писал: “...В результате поляризации вакуума вокруг заряженной частицы создается связанная с ней „атмосфера"”.

Резерфордовскую модель атома, так напоминающую Солнечную систему, пришлось заменить другой, где вокруг ядра летает не твердый шарик, а размазанное по орбите облако, а частицы ядра удерживаются вместе благодаря обмену другими частицами.

Огромная заслуга Дирака заключается в том, что он разработал релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, аннигиляцию (исчезновение) и рождение из вакуума электронно-позитронных пар. В 1933 году совместно с физиком Э. Шредингером он был удостоен Нобелевской премии (18, с. 399).

Дальнейшие исследования квантовой физики были посвящены, в частности, изучению возможности появления из вакуума реальных частиц. Что если на вакуум подействовать каким-нибудь полем, которое несет в себе энергию, достаточную, чтобы, по крайней мере, некоторые виртуальные частицы превратить в реальные?

Еще в 1939 году Э. Шредингер теоретически обосновал ситуацию, при которой из вакуума должны рождаться реальные частицы. Но уравнение, полученное им, оказалось, по крайней мере на время, мудрее своего творца. Шредингер посчитал возможность рождения реальной частицы из вакуума недостатком теории, из которой исходил в своих рассуждениях и размышлениях.

Стоит отметить, что в 1934 году Э, Шредингер был избран почетным членом АН СССР в знак признания его выдающихся заслуг (95, с, 130). В 90-х годах, когда было открыто пятое фундаментальное взаимодействие — информационное, ученые поняли, какие именно поля должны воздействовать на физический вакуум с целью получения реальных частиц. Это оказались торсионные поля, служащие носителем информации в Тонком Мире, распространяющиеся с мгновенной скоростью и без затрат энергии.

Вот вам и предположения Эйнштейна, и теорема Белла, и исследования Бома, и эксперименты Аспекта.

Подводя итоги сказанному, подчеркнем следующее: квантовая физика доказала, что в вакууме в скрытом виде присутствуют частицы и античастицы, а квант своей энергией проявляет пару (электрон-позитрон), дает ей наблюдаемое и, так сказать, легальное положение в мире.

Именно квантовая физика сделала эйнштейновское пространство физическим вакуумом, заполнила это пространство материальной средой, не поссорившись с теорией относительности. Но союз квантовой физики и теории относительности мог достичь своего апогея только в результате создания Единой Теории Поля. Она должна быть тесным образом связана со свойствами физического вакуума, опираться в своих выводах на эти свойства и в то же время объяснять их.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.