Физик меньшего масштаба провозгласил бы новый «принцип запрета», согласно которому состояния с отрицательной энергией попросту исключаются из рассмотрения; электроны не могут их занимать. Но не Дирак. Он заявил, что если в уравнении имеются такие состояния, то они должны существовать, а проблемы, вызванные этим, так или иначе придется решать. Лучшим выходом из положения, которое он сумел найти, стало бесконечное море отрицательной энергии. Дирак никогда не пытался объяснить, откуда взялось это море или почему оно заполнено только от отрицательной бесконечности до нуля, а также почему не существует моря заполненных состояний с положительной энергией.
Только в мире физики, не успевшей еще оправиться от шока многочисленных головоломных сюрпризов (замедление времени, лоренцево сокращение длины объекта, искривление пространства-времени, квантованный свет), такая абсурдная гипотеза могла быть встречена серьезно. Однако это так. Возможно, она была вовсе не абсурдной, а блестящей. Мало того, даже сегодня она психологически поддерживает тех, кто выдвигает современные безумные гипотезы, такие как идея о нашем 11-мерном пространстве-времени
[228].
Дирак развил свою идею еще дальше. Время от времени в один из электронов с отрицательной энергией в этом бесконечном море попадает другая частица, после чего он получает дополнительную энергию и покидает море. В частности, может перескочить в состояние с положительной энергией (эти состояния не заняты). Тогда на его месте останется пузырек, который Дирак назвал дыркой. Дырка может двигаться по бесконечному морю, как пузырьки воздуха движутся в толще воды (движется в основном вода вокруг пузырька, а не то небольшое количество газа, которое в нем находится), и отсутствие отрицательного заряда в море отрицательного заряда ведет себя так, как если бы оно представляло собой положительный заряд. Было ли это предсказанием антивещества? Пока нет. Дирак заявил, что такие дырки – это протоны! В декабре 1929 года он написал статью Theory of Electrons and Protons («Теория электронов и протонов»), в которой изложил эту концепцию.
Дирак неохотно предсказывает антивещество
У пузырьковой теории протона Дирака была одна серьезная проблема. Герман Вейль показал, что пузырек в этом случае должен двигаться так, как если бы он обладал той же массой, что и электрон, – но в то время уже было известно, что протон в 1836 раз тяжелее электрона. Конечно, ошибка в 1836 раз – явление не то чтобы совершенно беспрецедентное, но, безусловно, вызов. У Дирака не было хорошего ответа на вопрос о разнице масс. Теория до конца не сформировалась; ее еще придется дорабатывать. Дирак ссылался на недавние расчеты Эддингтона, говорил, что они обнадеживают, однако несогласованность массы протона с теорией представляла серьезную нерешенную проблему, и ею нужно было заниматься.
Еще одна серьезная проблема выявилась три месяца спустя после выхода статьи Дирака о протоне. Роберт Оппенгеймер (позже он приобрел известность как руководитель Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы) написал статью, в которой указывал, что протоны Дирака, его дырки, должны притягиваться к электронам, а при встрече такая пара должна аннигилировать, разрушая друг друга и излучая всю энергию, заключенную в их массе, в виде гамма-лучей. Ни протоны, ни электроны не должны были существовать в обычном веществе более одной миллионной доли секунды. На самом же деле все не так: электроны и протоны счастливо уживаются в атомах и не думают аннигилировать. Получалось, что теория Дирака противоречит самым фундаментальным наблюдательным данным.
Наконец, в мае 1931 года Дирак написал статью, в которой упомянул одно отчаянное решение. Примечательно, что большая часть статьи была посвящена совершенно другой теме: связи между электрическим и магнитным полями. Название статьи – Quantised Singularities in the Electromagnetic Field («Квантованные сингулярности в электромагнитном поле») – ничего не говорит о том, что в ней содержится краткий комментарий по поводу проблемы отрицательной энергии; всего 2 из 36 абзацев статьи посвящены этому вопросу. Создается впечатление, что Дираку откровенно не нравилось решение, которое он вынужден был изобрести, – предсказание антивещества. В статье говорится:
Дырка, если бы таковая существовала, была бы частицей нового типа, неизвестного экспериментальной физике, и имела бы ту же массу, что и электрон, и противоположный заряд. Такую частицу можно назвать антиэлектроном.
Дирак объяснил, что антиэлектроны отсутствуют в природе, потому что при возникновении тут же аннигилируют с электронами – строго по предсказанию Оппенгеймера. Вот почему мы их не видим. В принципе, антиэлектроны можно было бы создать в лаборатории с помощью высокоэнергетических гамма-лучей, но Дирак считал, что эта задача выходит за рамки доступных на тот момент технических возможностей. По его словам:
Однако с учетом интенсивности гамма-лучей, доступных в настоящее время, эта вероятность пренебрежимо мала.
Гораздо приятнее сознавать, что ты можешь разрешить уже известную загадку, к примеру о магнетизме электрона, чем делать вынужденные предсказания. Если антивещество существует, почему антиэлектроны никто не видел? Дирак не был исследователем и слабо разбирался в реальных ограничениях и возможностях экспериментов. Будь его представления о современных экспериментах более полными, он встревожился бы еще сильнее в связи с собственным предсказанием – у экспериментаторов уже несколько лет было средство, позволявшее наблюдать предсказанные им антиэлектроны. Его осторожная оговорка о «пренебрежимо малой вероятности» была совершенно не нужна.
Сегодня мы знаем, что антиэлектроны Дирака тогда действительно уже наблюдались – но рожденные под воздействием высокоэнергетических космических лучей, а не лабораторных гамма-лучей (в этом Дирак был прав). Космические лучи – это естественное излучение, наблюдаемое на поверхности Земли и приходящее из космоса (этот факт продемонстрировал физик Виктор Гесс
[229] еще в 1910-е годы). Эти первозданные космические лучи, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождают антиэлектроны и другие античастицы. В 1927-м, за год до публикации Дираком первоначальной теории электрона, русский ученый Дмитрий Скобельцын
[230] в экспериментах, нацеленных на исследование космических лучей, наблюдал, скорее всего, именно позитроны. Однако у него не было способа ни измерить заряд (определить, положительный он или отрицательный), ни наблюдать процесс аннигиляции, так что он не мог отличить вещество от антивещества.
