Охотники за частицами

Безумие действительно налицо. Так, во всяком случае, кажется вначале. Но подождем делать такой вывод. Пройдем за Дираком по отвесному пути его рассуждений.

Прислушаемся к беседе, которую ведут сторонник Дирака и еще не обращенный в новую веру его противник.

Говорит сторонник:

— Каким вы назовете пространство, в котором никаким прибором не обнаружить ни одной частицы?

— Ну конечно, совершенно пустым, — отвечает противник.

— А если в этом пространстве есть частицы, которые просто лишены возможности проявить себя, войти в контакт с прибором? Даже если в пространстве полным-полно частиц, вы все равно будете считать его пустым?

— Разумеется! Но позвольте задать вопрос. Как частицы могут лишиться способности взаимодействовать? Если ваши электроны не входят в контакт с измерительным прибором, значит, они и друг с другом не взаимодействуют! Прибор ведь состоит в конечном счете из тех же электронов.

— Правильно.

— Не правильно, а чепуха! Частицы не могут не взаимодействовать, это противоречит самой сущности вещей! — начинает волноваться противник.

— Тоже правильно, — по-прежнему спокойно отвечает сторонник.

— И то правильно, и это правильно? Ничего не понимаю!

— Не волнуйтесь, я вам сейчас объясню. Давайте приложим к куску металла электрическое поле. Пойдет ток, и вы скажете, что в металле есть свободные электроны.

— Верно, — кивает противник.

— А есть ли в металле еще что-нибудь, кроме этих электронов? — спрашивает сторонник.

— Конечно: еще атомы.

— Простите, а как вы это узнали?

— Можно, например, так. Осветим металл рентгеновыми лучами. При высоких энергиях фотоны этих лучей будут вырывать из атомов электроны.

— Значит, при меньшей энергии металл у вас состоит как бы из одних свободных электронов, а увеличили энергию — и появились атомы?

— Конечно, нет! Просто тот вид внутренней структуры, который мы обнаруживаем, зависит от той энергии, с которой мы ее прощупываем.

— Ага! Так почему же вы не хотите понять, что можно взять такую энергию, при которой и пустота обнаружит свою структуру?

Противник снова разводит руками:

— Не понимаю. Пустота — всегда пустота. В ней ничего нет и быть не может.

— Ну, а все же представьте себе пустоту, до отказа забитую электронами. Они ведь не смогут взаимодействовать ни друг с другом, ни с приборами.

— Почему?

— А потому, что это означало бы изменение их энергии. Ведь при взаимодействии одна из частиц всегда что-то теряет из своей энергии, а другая что-то приобретает. И частицы должны занять новые уровни энергии.

— Но где же они могут найти такие уровни? Вы говорите, что все уровни у вас заняты. А как доказал недавно Вольфганг Паули, каждый уровень энергии может быть занят только двумя электронами. Если к ним придет третий, они его не пустят, — недоумевает противник.

— Значит, нет таких свободных уровней?

— Нет.

— Вот потому-то электроны, даже если они сидят в пустоте так же тесно, как сельди в бочке, не могут взаимодействовать друг с другом или с прибором! Но… только до тех пор, пока им не будет сообщена достаточная энергия, чтобы электроны могли выпрыгнуть из пустоты. Как только это произойдет, частицы уже можно будет обнаружить: они приобретают возможность взаимодействовать.

— Что же это за энергия? — начинает понемногу сдаваться противник.

— Давайте сообразим. Электрон должен родиться из пустоты, имея по меньшей мере свою собственную энергию покоя. По закону Эйнштейна эта энергия равна произведению массы покоя электрона на квадрат скорости света.

— Значит, электронам в вакууме надо передать минимум такую энергию?

— Нет, не совсем так. Вы не учли того, что станет с вакуумом после вылета из него электрона. А это надо учитывать.

— A-а, понятно. Учитываю. В заполненной электронами пустоте при этом образуется пустое место. Бр-р-р! Вы меня извините. Говорю, а сам содрогаюсь от своих слов!

Но сторонник лишен жалости. Он продолжает убеждать:

— Назовем это пустое место дыркой. Она имеет заряд.

— Конечно. Раз пустота в целом нейтральна, то вылет из нее электрона должен сообщить ей, то есть дырке, положительный заряд, чтобы эта нейтральность сохранилась.

— Вот-вот. И масса у этой дырки должна быть. Такая же, как у электрона. И на рождение дырки нужно затратить ту же энергию, что на электрон, а всего на пару из электрона и дырки — двойную энергию. Это примерно миллион электрон-вольт.

— Немало.

— Верно, немало. Но при меньшей энергии обнаружить структуру вакуума, теперь вам понятно, невозможно. А если по пустоте ударить с такой или с большей энергией, например, фотоном, то из нее выскочат сразу две частицы — электрон и его зеркальный брат. Назовем этого брата позитроном.

— Уфф! Кажется, теперь я понял!

Так в начале тридцатых годов была предсказана новая частица. Были установлены ее вид и повадки, из коих главная та, что эта частица рождается в паре с электроном. И должна умирать также вместе с электроном, отдавая при этом, как и электрон, всю ту энергию, которую они получили при своем рождении или приобрели при своей жизни.

Далеко не все ученые верят в находки, полученные теоретиками на кончике пера. В теорию относительности многие уверовали лишь после того, как в 1919 году астрономы подтвердили предсказываемое ею искривление световых лучей вблизи крупных небесных тел.

Так и теперь. Слово за физиками-экспериментаторами. Подтвердят ли они существование новой частицы?

Экспериментаторы берут это дело на заметку. К списку разыскиваемых частиц прибавляется еще одна. С еще большим вниманием просматриваются тысячи фотографий, снятых в камере Вильсона.

На этих фотографиях оставляют следы миллионы космических частиц. Миллионы частиц — миллионы разнообразных событий. И где-то в этих джунглях переплетающихся следов, толстых и тонких, прямых и изогнутых, неожиданно прерывающихся, расщепляющихся на другие следы, — где-то здесь наблюдателя ждет след, оставленный новой, пока неведомой частицей.

Ни одна черточка на фотографии не должна ускользнуть от внимания ученых. А так легко пропустить ее, так легко необычный след принять за привычный, неинтересный. И тогда в стопке уже просмотренных фотопластинок безвозвратно затеряется интереснейшее событие.

Может быть, его уже годы тщетно ждут теоретики. И придется им тогда снова ждать и ждать, пока редкое событие снова удастся схватить на фотопластинке.

Сколько интересных явлений на фотопластинках пропустили экспериментаторы в ранние годы изучения космических лучей! Трудно винить их в этом. Они знали, как наблюдать, но не ведали, что именно надо искать. А не ведали потому, что этого не знали и теоретики.

Но вот в начале 1932 года американский физик Карл Андерсон, изучая снятые на космическом излучении фотографии в камере Вильсона, обнаруживает интересный след.

Вот он, воспроизведен на рисунке.