Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Дірак був змушений визнати, що якщо його теорія правильна, то десь у природі має існувати нова позитивна версія електрона.

На Діракове щастя, не минуло й року від його покірної капітуляції, як Карл Андерсон виявив у космічних променях частинки, ідентичні електронам, проте з протилежним зарядом. Так народився позитрон, і за свідченнями очевидців Дірак відреагував на свою неготовність сприйняти наслідки власних математичних викладок фразою: «Моє рівняння виявилося розумнішим за мене!» Значно пізніше він начебто навів іншу причину невизнання можливості існування нової частинки: «Чистої води боягузтво».

«Передбачення» Дірака, хай навіть неохоче, стало визначною віхою. Уперше існування нової частинки було передбачене суто на основі теоретичних уявлень, що постали з математики. Задумайтеся над цим.

Максвелл «післяпобачив» існування світла в результаті свого об’єднання електрики й магнетизму. Левер’є передбачив існування Нептуна на основі спостережень аномалій орбіти Урану. Але тут ми маємо справу з передбаченням нової основної риси всесвіту на основі суто теоретичних тверджень про природу в її найфундаментальніших масштабах, без попередньої безпосередньої експериментальної мотивації. Може здатися, що це було питанням віри, проте це не так – зрештою, сам автор ідеї в неї не повірив. І хоча подібно до віри це передбачення описувало неспостережувану реальність, на відміну від віри, воно описувало реальність, яку можна було протестувати й спростувати його.

Відкриття Ейнштейном відносності докорінно змінило наші уявлення про простір і час, а відкриття законів квантової механіки Шрьодінґером та Гайзенбергом докорінно змінило наші уявлення про атоми. Уперше поєднавши їх, Дірак прорубав нове вікно в приховану природу матерії в значно менших масштабах. Воно сповістило про початок сучасної ери у фізиці елементарних частинок, задавши тренд, який тривав майже століття.

По-перше, якщо більш узагальнено застосувати рівняння Дірака до інших частинок, а жодного приводу вважати, що цього робити не можна, нема, то «античастинки», як їх назвуть пізніше, з’являться не лише в електрона, а й в інших відомих частинок, що трапляються в природі.

Антиматерія стала атрибутом наукової фантастики. Паливом космічних кораблів на кшталт «Ентерпрайзу» із «Зоряного шляху» неодмінно слугує антиматерія, а можливість побудови антиматеріальної бомби була найдурнішим елементом сюжету нещодавнього детективного трилера «Янголи та демони». Проте антиматерія реальна. У космічних променях було знайдено не лише позитрон; згодом там виявили також антипротони та антинейтрони.

На фундаментальному рівні нічого особливо дивного в антиматерії немає. Зрештою позитрони – це ті самі електрони, тільки з протилежним зарядом. Усупереч поширеній думці, вони не падають «угору» у гравітаційному полі. Матерія й антиматерія можуть взаємодіяти й повністю анігілювати в чисте випромінювання, що виглядає лиховісно. Проте частинко-античастинкова анігіляція – лише один із купи нових можливих способів взаємодії елементарних частинок, який може мати місце при переході на субатомний рівень. Мало того, для анігіляції обсягу матерії, достатнього для виробництва енергії, якої вистачить на запалення лампочки, потрібно накопичити дуже багато антиматерії.

Зрештою, саме тому антиматерія дивна. Вона дивна, оскільки всесвіт, у якому ми живемо, наповнений матерією, а не антиматерією. Усесвіт, зроблений з антиматерії, виглядав би ідентичним нашому. А всесвіт із рівних об’ємів матерії та антиматерії – який, якщо вже на те пішло, видається найприроднішим з усіх усесвітів – був би, якби не сталося чогось непередбачуваного, дуже нудним, адже матерія та антиматерія давним-давно анігілювали б одна одну, і нині такий усесвіт не містив би нічого, крім випромінювання.

Питання, чому наш світ сповнений матерії, а не антиматерії, залишається одним із найцікавіших у сучасній фізиці. Проте коли я зрозумів, що справжня причина, чому антиматерія дивна, полягає лише в тому, що ми ніколи з нею не стикаємося, мені спала на думку така аналогія. Антиматерія дивна в тому ж сенсі, у якому дивні бельгійці. Звісно, вони не дивні самі по собі, але якщо ви подібно до мене коли-небудь зверталися до повної аудиторії людей і просили бельгійців підняти руки, то жодних піднятих рук майже ніколи не було.

За винятком того нещодавнього разу, коли я виступав із лекцією в Бельгії, де мою аналогію сприйняли не надто схвально.

Розділ 8
Складки часу

Бо /ви/ це пара, що на хвильку з’являється, а потім зникає!..

Якова 4:14

З часів Галілея кожен виявлений прихований зв’язок у природі спрямовував фізику в нові сторони. Об’єднання електрики й магнетизму виявило приховану природу світла. Об’єднання світла із законами руху Галілея виявило втілені в теорії відносності приховані взаємозв’язки між простором і часом. Об’єднання світла й матерії виявило дивний квантовий всесвіт. А об’єднання квантової механіки з теорією відносності виявило існування античастинок.

Відкриття античастинок Діраком стало наслідком його «вгадування» правильного рівняння для опису релятивістських квантових взаємодій електронів з електромагнітними полями. Йому бракувало фізичної інтуїції для її обґрунтування, і саме це було однією з причин, чому сам Дірак та інші спершу поставилися до його здобутку настільки скептично. Прояснення фізичного імперативу для антиматерії стало результатом роботи одного з найважливіших фізиків другої половини ХХ століття – Річарда Фейнмана.

Годі шукати когось менш схожого на Дірака, ніж Фейнман. Тоді як Дірак був до крайнощів неговірким, Фейнман був товариським та чарівним оповідачем. Тоді як Дірак навмисно жартував зрідка, якщо взагалі коли-небудь, Фейнман був пустуном, який відверто насолоджувався всіма аспектами життя. Тоді як Дірак був занадто сором’язливий, щоб зустрічатися з жінками, Фейнман після смерті першої дружини вишукував найрізноманітніших подруг. Утім, фізика зводить разом дуже дивні пари, тож Фейнман із Діраком навіки залишаться інтелектуально зв’язаними – знову ж таки світлом. Разом вони сприяли завершенню опису довгоочікуваної квантової теорії випромінювання.

Фейнман належав до наступного після Дірака покоління й благоговів перед ним, називаючи його одним зі своїх героїв-фізиків. Тож природно, що коротка стаття Дірака, написана 1939 року, у якій він запропонував новий підхід до квантової механіки, надихнула Фейнмана на працю, яка зрештою принесла йому Нобелівську премію.

Гайзенберг та Шрьодінґер пояснювали, як системи квантовомеханічно поводяться, відштовхуючись від деякого вихідного стану