Олег Фейгин: Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Оживленные споры вокруг подобных вопросов продолжаются с пятидесятых годов прошлого века, со времени открытия антипротона. Однако первый раз антивещество привлекло к себе внимание еще в конце двадцатых годов ушедшего столетия. В тот период знаменитый английский физик Поль Адриен Морис Диракпытался построить модель электрона и все время натыкался на очень странные следы электронов с отрицательной энергией и массой (!). Физики-острословы тут же прозвали дираковские «негативные» электроны «электронами-ослами». Действительно, в электрическом поле такие электроны должны были двигаться в противоположном обычным «атомам электричества» направлении, а понятия «отрицательная энергия» и «отрицательная масса» выглядели маловразумительной абстракцией. Тем не менее, будучи блестящим теоретиком, Дирак сумел развить свои необычные представления в теорию, получившую поэтическое название «море Дирака» (см. рис. 2цв. вкл.).

Вакуум уже тогда привлекал самое пристальное внимание физиков, и Дирак сразу же предположил, что эта мнимая пустота на самом деле заполнена бесконечным множеством «негативных» электронов самой различной энергии. Но реальный вакуум абсолютно нейтрален и никак не действует на обычное вещество, поэтому Дирак посчитал, что электромагнитные и гравитационные поля «негативных» электронов полностью компенсируют друг друга. Важной особенностью электронного «моря Дирака» было наличие замкнутых пустот свободного от электронов пространства. В этих пузырьках «вакуумной пены» обычные и негативные электроны должны были взамоуничтожаться (аннигилировать) с испусканием фотонов — частиц электромагнитного поля (см. рис. 3цв. вкл.).

Надо ли говорить, что вначале теория «моря негативных „электронов-ослов“» вызвала такое же море возражений. Так, чтобы обосновать процесс внутрипузырьковой аннигиляции, физики-теоретики пытались поместить туда протон, как единственную на то время положительную частицу, но это только погружало их в новые глубины проблем моря Дирака.

Триумф теории «моря Дирака» пришелся на 1932 год, когда в космических лучах, падающих на Землю, был обнаружен дираковский «негативный» электрон — позитрон. Вот тут и началось конструирование антимиров, причем сначала казалось, что эти миры должны быть совершенно идентичными, и если бы мы сумели заглянуть в антимир, не аннигилировав при этом, то ничего бы нового не заметили. По-научному это звучит так: все законы природы долгое время считались неизменными (инвариантными) относительно изменения знака заряда частиц (так называемой зарядной инверсии, или С-преобразования ). Однако в начале второй половины прошедшего века физики экспериментально открыли шокирующий факт: для того чтобы превратить частицу в античастицу, нужно не только изменить знак заряда, но и как бы отразить частицу в зеркале, произвести еще и пространственное изменение симметрии — P-преобразование. Вместе эти две операции преображения частиц называются СР-преобразованиями. Однако чудеса продолжались, и вскоре выяснилось, что и этого совместного преобразования в ряде случаев совершенно недостаточно, поскольку такая CP-симметрия тоже нарушается. То есть для того, чтобы из электрона получить «настоящий» антиэлектрон, необходимо изменить еще и… направление хода времени, произвести Т-преобразование. Так возникло представление о существовании в природе фундаментального закона сохранения СРТ-симметрии.

Иначе говоря, наблюдатель не сможет никакими опытами установить, в каком мире он находится, если одновременно не произведет над эталонной частицей все три преобразования.

Вернемся теперь к физическим свойствам реального вакуума и добавим, что элементарные частицы, кроме массы и заряда, обладают еще и спином — моментом вращения вокруг собственной оси. При вращении подобно волчкам у зарядов возникает еще и магнитное поле с электрическим дипольным моментом. Рассмотрим сам процесс аннигиляции на примере электрон-позитронной пары. Это удивительное явление происходит не сразу, а в два этапа: сначала на кратчайшее мгновение образуется атом позитрония, состоящий из частиц, вращающихся вокруг общего центра масс. После же аннигиляции их энергия и масса превращаются в электромагнитное излучение, а на месте позитрония остается своеобразная дырка. Может ли эта «дырка» обладать какими-либо физическими свойствами?