энергии. Но и пустая дырка в океане, образовавшаяся в том месте, откуда был извлечен электрон, также будет наблюдаема, поскольку отсутствие отрицательного заряда в равномерном распределении воспринимается, как присутствие равного по величине положительного заряда. Эта положительно заряженная частица будет к тому же обладать положительной массой, и направление ее движения будет совладать с направлением силы тяжести.
— Вы хотите сказать, что дырка, или положительно заряженная частица, будет всплывать, а не тонуть? — с удивлением спросил дельфин.
— Совершенно верно. Не сомневаюсь, что вам приходилось неоднократно видеть, как различные предметы опускаются на дно, увлекаемые силой тяжести, иногда это были предметы, брошенные за борт с судна, иногда сами суда.
— Но послушайте, — прервал самого себя П.А.М. — Видите эти крохотные серебристые предметы, поднимающиеся к поверхности? Их движение также обусловлено действием силы тяжести, но движутся они в противоположную сторону.
— Но ведь это же пузырьки, — заметил дельфин. — Они, должно быть, оторвались от чего-то, что содержало воздух, когда оно перевернулось или разбилось, ударившись о каменистое дно.
— Вы совершенно правы, это действительно пузырьки, но ведь вам не приходилось видеть, чтобы пузырьки всплывали в вакууме? Следовательно, мой океан не пуст.
— Что и говорить, теория очень остроумна, — согласился дельфин, — только верна ли она?
— Когда я предложил ее в 1930 г., — ответил П.А.М., — никто в нее не поверил. В значительной мере в этом недоверии был виноват я сам, поскольку первоначально предполагал, что положительно заряженные частицы представляют собой не что иное, как хорошо известные экспериментаторам протоны. Вы, конечно, знаете, что протон в 1840 раз тяжелее электрона, но я тогда питал надежду на то, что с помощью одного математического трюка мне удастся объяснить возросшее сопротивление ускорению под действием данной силы и получить число 1840 теоретически. Но из моей затеи ничего не вышло, и материальная масса пузырьков в моем океане оказалась в точности равной массе обычного электрона. Мой коллега Паули, которому я не могу отказать в чувстве юмора, носился с идеей того, что он называл «Вторым Принципом Паули». По его вычислениям выходило, что если обычный электрон приблизится к дырке, образовавшейся при извлечении одного электрона из моего океана, то за ничтожно малое время он заполнит собой дырку. Следовательно, если протон атома водорода действительно был бы «дыркой», то обращающийся вокруг него электрон мгновенно заполнил бы эту дырку, и обе частицы аннигилировали бы со вспышкой света, или, лучше сказать, со вспышкой гамма-излучения. То же самое произошло бы и с атомами всех других элементов. Второй Принцип Паули требовал также, чтобы любая выдвинутая физиком теория была применима и к материи, из которой состоит тело самого физика, поэтому я аннигилировал бы прежде, чем успел бы поведать свою идею кому-нибудь еще. Вот так!
И с этими словами П.А.М. исчез, испустив яркую вспышку света.
— Сэр, — послышался над ухом мистера Томпкинса чей-то раздраженный голос, — вы можете сколько угодно спать на лекции, если вам так нравится, но не храпите так громко! Я не могу расслышать ни слова из того, что говорит профессор.
Открыв глаза, мистер Томпкинс увидел снова переполненную лекционную аудиторию и старого профессора, который продолжал:
— Посмотрим, что произойдет, когда странствующая дырка встречает на своем пути лишний электрон, занятый поиском местечка поудобнее в океане Дирака. Ясно, что в результате такой встречи лишний электрон неизбежно свалится в дырку, заполнит ее и удивленный физик, наблюдая этот процесс, отметит явление
Но можно представить себе и обратный процесс, в котором пара частиц, состоящая из отрицательного и положительного электронов, рождается из ничего под действием мощного внешнего излучения. С точки зрения теории Дирака, рождение пары представляет собой просто выбивание электрона из непрерывного распределения, и рассматривать его следовало бы не как рождение, а как разделение двух противоположных по знаку электрических зарядов. На рисунке, который я сейчас покажу вам (с. 205), эти два процесса рождения и уничтожения электронов изображены весьма условно и схематично, но, как вы видите, ничего загадочного в них нет. Должен заметить, что хотя процесс рождения пары, строго говоря, должен происходить в абсолютном вакууме, вероятность его очень мала. Можно сказать, что распределение электронов в вакууме слишком гладко, чтобы распасться. С другой стороны, в присутствии тяжелых материальных частиц, служащих точкой шоры для гамма-излучения, внедряющегося в распределение электронов, вероятность рождения пары сильно возрастает, и процесс становится наблюдаемым.
Ясно, что позитроны, рожденные описанным выше образом, не могут существовать очень долго и вскоре аннигилируют при встрече с одним из отрицательных электронов, обладающих в нашем уголке Вселенной большим численным преимуществом. Именно этим объясняется сравнительно позднее открытие таких замечательных частиц, как позитроны: первое сообщение о положительно заряженных электронах было сделано лишь в августе 1932 г. (теория Дирака была опубликована в 1930 г.) калифорнийским физиком Карлом Андерсоном, который, занимаясь исследованием космического излучения, обнаружил частицы, во всех отношениях напоминавших обычные электроны, но имевших одно важное отличие: вместо отрицательного заряда эти частицы несли положительный заряд. Вскоре после открытия Андерсона мы научились очень просто получать электрон- позитронные пары в лабораторных условиях, пропуская сквозь какое-нибудь вещество мощный поток высокочастотного излучения (радиоактивного гамма-излучения).
На следующем слайде, который я хочу показать вам, вы увидите снимки позитронов, обнаруженных в космическом излучении с помощью камеры Вильсона, и самого процесса рождения пары. Камера Вильсона — один из самых полезных приборов современной экспериментальной физики. Действие ее основано на том, что любая частица с ненулевым электрическим зарядом, пролетая через газ, образует вдоль своего трека множество ионов. Если газ насыщен водяными парами, то крохотные капельки воды конденсируются на этих ионах, образуя тонкий слой тумана, тянущийся вдоль всего трека. Освещая эту полоску тумана сильным пучком света на темном фоне, мы получаем великолепные картины, на которых отчетливо различимы все детали движения.
На первой из двух картинок, спроецированных на экран, вы видите оригинал снимка позитрона, обнаруженного Андерсоном в космическом излучении. Замечу, что это самый первый из когда-либо сделанных снимков позитрона. Широкая горизонтальная полоса, идущая через весь снимок, — след толстой свинцовой пластины, положенной поперек камеры Вильсона, а трек позитрона выглядит, как тонкая искривленная царапина, идущая через снимок. Трек искривлен потому, что во время эксперимента камера Вильсона была помещена в сильное магнитное поле, влиявшее на движение позитрона. Свинцовая пластина и магнитное поле понадобились Андерсону для того, чтобы определить знак электрического заряда, переносимого частицей. Сделать это можно на основе следующих соображений. Известно, что производимое магнитным полем изгибание траектории зависит от знака заряда движущейся частицы. В эксперименте Андерсона магнит расположен так, что отрицательно заряженные электроны отклоняются от первоначального направления движения влево, а положительно заряженные электроны — вправо. Следовательно, если частица на снимке двигалась вверх, то она должна была нести отрицательный заряд. Но как узнать, в какую сторону двигалась частица? Для этого и понадобилась Андерсону свинцовая пластина. Пройдя сквозь свинцовую пластину, частица неизбежно теряет некую часть своей первоначальной энергии, и поэтому изгибающее действие магнитного поля усиливается. На снимке, который вы видите на слайде, трек изогнут сильнее под свинцовой пластиной (различие в изгибах не слишком видно на глаз, но отчетливо заметно при измерении). Следовательно, частица двигалась сверху вниз и несла положительный заряд.
На правом снимке (с. 206), полученном Джеймсом Чедвиком из Кембриджского университета, вы видите рождение пары в камере Вильсона. Сильное гамма-излучение поступает в камеру снизу и, не оставляя на снимке видимых следов, порождает в центре камеры пару частиц, которые разлетаются в сильном магнитном поле в разные стороны. Глядя на этот снимок, вы можете гадать, почему позитрон (на
