Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Ці електрони, як правило, мають швидкості, не набагато менші за швидкість світла, тож для їхнього опису необхідно скористатися спеціальною теорією відносності. Рівняння Шрьодінґера гарно працювало для опису енергетичних рівнів електронів на зовнішніх частинах простих атомів на кшталт водню, де воно слугувало квантовим розширенням ньютонівської фізики. Проте цей опис не підходив, коли слід було враховувати релятивістські ефекти.

Зрештою Дірак досяг успіху там, де зазнали невдачі інші, і не дивно, що його рівняння, одне з найважливіших у сучасній фізиці елементарних частинок, називається рівнянням Дірака. (Кілька років по тому, коли Дірак уперше зустрів фізика Річарда Фейнмана, до якого ми незабаром дійдемо, Дірак після звичної для себе ніякової паузи сказав: «У мене є рівняння. А у вас?»)

Рівняння Дірака було прекрасним, і, як перше релятивістське дослідження електрона, дало змогу правильно й точно передбачати енергетичні рівні всіх електронів в атомах, частоти випромінюваного ними світла і, таким чином, природу всіх атомних спектрів. Проте в цього рівняння була фундаментальна проблема. Воно, таке враження, передбачало існування нових, неіснуючих частинок.

Для створення математичного апарату, необхідного для опису електрона, що рухається з релятивістськими швидкостями, Діраку довелося ввести повністю новий формалізм, який використовував для опису електронів чотири різні величини.

Наскільки ми, фізики, можемо судити, електрони є мікроскопічними точковими частинками з практично нульовим радіусом. Проте у квантовій механіці вони поводяться, як дзиґи, що обертаються, і, мають те, що фізики називають моментом імпульсу. Момент імпульсу відображає те, що тільки-но об’єкти починають обертатися, вони не зупиняться, доки до них не буде застосована якась гальмівна сила. Чим швидше вони обертаються або чим вони масивніші, тим більший вони мають момент імпульсу.

На жаль, не існує жодного класичного способу зобразити точкоподібний об’єкт на кшталт електрона таким, що обертається навколо своєї осі. Отже, обертання частинок є одним з аспектів квантової механіки, для якого банально не існує інтуїтивного класичного аналога. У Діраковому релятивістському розширенні рівняння Шрьодінґера електрони здатні мати лише два можливі значення моменту імпульсу, який ми звемо просто їхнім спіном. Вважайте, що електрони можуть обертатися або в одному напрямку, який ми називаємо «вгору», або в протилежному, який ми називаємо «вниз». Через це для опису конфігурації електронів потрібні дві величини, одна для електронів із верхнім спіном, а друга – для електронів із нижнім спіном.

Після деякого початкового замішання стало зрозуміло, що дві інші величини, необхідні Діраку для опису електронів у своєму релятивістському формулюванні квантової механіки, на перший погляд описували щось божевільне – інший варіант електронів із такою ж масою та спіном, проте з протилежним електричним зарядом. Оскільки електрони за визначенням мають негативний заряд, ці нові частинки повинні були б мати позитивний заряд.

Дірак був спантеличений. Такої частинки ніхто ніколи не спостерігав. Піддавшись відчаю, Дірак припустив, що позитивно зарядженою частинкою, яку описує його теорія, може бути протон, маса якого, утім, у дві тисячі разів більша за масу електрона. Він навів кілька простацьких аргументів на користь того, що позитивно заряджена частинка може набувати більшої маси. Більша маса могла бути зумовлена іншими можливими електромагнітними взаємодіями між нею й порожнім без неї простором, який, як він передбачав, може бути наповнений потенційно необмеженим океаном неспостережуваних частинок. Насправді це не настільки божевільний варіант, як здається, проте пояснення цього вимагатиме від нас певних викрутасів, яких ми воліли б уникнути. Хай там як, швидко з’ясувалося, що ця ідея не витримує критики: по-перше, проти цього була математика, згідно з якою нові частинки повинні були мати таку ж масу, що й електрони; по-друге, якби протон та електрон були в деякому сенсі дзеркальними відображеннями, вони б анігілювали один одного, і нейтральна матерія не могла б бути стабільною. Дірак був змушений визнати, що якщо його теорія правильна, то десь у природі має існувати нова позитивна версія електрона.

На Діракове щастя, не минуло й року від його покірної капітуляції, як Карл Андерсон виявив у космічних променях частинки, ідентичні електронам, проте з протилежним зарядом. Так народився позитрон, і за свідченнями очевидців Дірак відреагував на свою неготовність сприйняти наслідки власних математичних викладок фразою: «Моє рівняння виявилося розумнішим за мене!» Значно пізніше він начебто навів іншу причину невизнання можливості існування нової частинки: «Чистої води боягузтво».