Ричард Мюллер - Сейчас. Физика времени

Нечто, выглядевшее как электрон с неправильным зарядом (положительным, а не отрицательным), было открыто 2 августа 1932 года Карлом Андерсоном [224]. В своей статье он назвал эту частицу позитроном и объяснил ее как антивещество, предсказанное Полем Дираком годом ранее. Через 17 лет Ричард Фейнман предположил, что обнаруженная Андерсоном частица представляет собой электрон, движущийся назад во времени .

Андерсон использовал камеру Вильсона (туманная камера) – устройство, регистрирующее стремительный пролет электронов и протонов с помощью частиц жидкости, которые конденсируются из пара на их пути следования; на фото, которое он сделал, эти частицы выглядят как маленькие черные точки. Позитрон входит снизу, проходит сквозь тонкий свинцовый лист, после чего выходит сверху. Его маршрут искривляется, потому что Андерсон поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле. След (трек) пролетевшей частицы загибается влево: это свидетельствует о ее положительном заряде, как у протона, – но то, как трек загибается, говорит, что частица гораздо легче протона. В верхней части изображения кривизна следа больше – это означает замедление частицы, то есть подтверждает, что она прилетела снизу.

Описание этого события как пролета обычного электрона, движущегося назад во времени, может показаться странным, однако именно такой подход стал стандартным при рассмотрении подобных частиц в продвинутых квантовых вычислениях. Придумал его Ричард Фейнман. Движение назад во времени стало одним из обычных инструментов, и многие физики пользуются им практически ежедневно. В ходе изучения продвинутых курсов по квантовой физике студентов учат пользоваться методами с обратным ходом времени. Даже в «простых» вычислениях, таких как столкновение двух электронов, фигурируют частицы (как правило, фотоны), движущиеся назад во времени.

Никто не решился бы без убедительных причин вводить в расчеты движение назад во времени. В этом случае одной из убедительных причин стала нелепая теория позитрона, предложенная Дираком незадолго до работы Фейнмана.

Когда Андерсон увидел свой позитрон, ему и в голову не пришло, что это может быть электрон, движущийся назад во времени. Он считал, что это пузырек, пустота, движущаяся дырка в бесконечном море отрицательных электронов, густо заполняющих пространство. Я серьезно. Как бы абсурдно это ни звучало, именно такое предсказание хотел подтвердить Андерсон своим экспериментом. Идея принадлежала не Андерсону; это была концепция Поля Дирака – человека, которому удалось объединить новые квантовые идеи (о том, что электрон представляет собой волну) с эйнштейновской теорией относительности (хотя к вопросу о мгновенном коллапсе волновой функции он не обращался).

Уравнение Шрёдингера не было релятивистским; оно не включало в себя никакие эффекты, фигурировавшие у Эйнштейна в теории относительности. Дирак же попытался создать релятивистскую квантовую теорию электрона и выбрал для этого подход, который показался ему логичным и прямолинейным. Он сформировал представление о том, как должно выглядеть нужное уравнение (в частности, решил, что в нем должна присутствовать простая зависимость от времени), а затем занялся проработкой математики. Математическая часть, кстати сказать, оказалась на удивление сложной, ее с трудом понимает до конца даже продвинутый аспирант-физик. Но цель Дирака – добиться, чтобы зависимость от времени осталась простой, – была выполнена.

Уравнение, выведенное Дираком, работало необычайно хорошо. Без всяких дополнительных параметров и коэффициентов оно автоматически содержало ранее известный факт наличия у электрона спина, верно выдавало разрешенные значения этого спина и даже учитывало то, что каждый электрон представляет собой не только маленький электрический заряд, но и маленький магнит [225]. С некоторым простым ограничением уравнение Дирака давало точную и адекватную количественную характеристику магнитных свойств электрона [226]. Ученый опубликовал свою теорию в январе 1928 года. Уравнение произвело сильное впечатление. Это была, возможно, самая выдающаяся работа в области теоретической физики после того, как Эйнштейн верно объяснил прецессию эллиптической орбиты Меркурия на основании общей теории относительности.