Море Дірака

Коли Чедвік відкрив нейтрон, який входить до складу майже всіх атомів, з’ясувалося, що вільний нейтрон існує близько 15 хвилин, потім розпадається на частини. Потім були відкриті інші частинки, які “жили” якісь долі секунди. Відомо, що обмежений час життя характерно для хвиль, які досить швидко розпадаються. Виникає зустрічне питання, чи можуть хвилі, в свою чергу, створювати відносно довгоживучі і компактні об’єкти? Виявляється, можуть. Наприклад, під час спуску по гірській річці можна спостерігати у воді стійкі утворення, які інструктори з рафтингу називають вирами, котлами та гребінцями. Один наполегливий вир діаметром близько 5 см супроводжував наш рафт протягом майже 15 секунд. У порівнянні з часом життя сигма-нуль-гіперонів, рівному 10-20 с, це все одно, що вік Всесвіту по відношенню до середнього віку людини. Гребінцем називався ділянка річки площею близько 20 м2, покритий танцюючими стовпчиками води розміром з олівець. Очевидно, це був результат дифракції хвиль на розсипи кругляків під водою. Інструктор стверджував, що “гребінець” буде триматися тиждень, поки не спаде рівень води. Виходить, хвилі можуть утворювати компактні і довгоживучі об’єкти? Де Бройль називав це властивість матерії дуалізмом (подвійністю). Можливо, електрон це теж свого роду хвильової об’єкт в якийсь плинної середовищі?
З теорії коливань відомо, що при додаванні поперечних хвиль з досить близькими частотами виникає об’єкт, який прийнято називати хвильовим пакетом або цугом хвиль. Цуг хвиль нагадує хвилю цунамі, де дуже високий гребінь посередині супроводжується парою-трійкою гребенів спереду і ззаду. Ближче до кінців цуга висота гребенів різко знижується, так що енергія концентрується в основному в центральному гребені. Такий хвильовий пакет з води цілком стійкий і здатний переносити енергію на значні відстані. Так енергія, що виділилася при підводному землетрусі 2004 в океані, була перенесена цунамі до берегів Індії, де справила величезні руйнування. Виникає питання: як фотон, по суті, фрагмент поперечної хвилі, може існувати і рухатися в космічній “порожнечі”? Звернімося до фактів.
Вважається, що фотон не має маси спокою. Отже, якщо фотон і є коливаннями якоїсь середовища, то це середовище не має масової щільності. Зате вона може мати енергетичну щільність. Нас це не повинно дивувати. У фізиці вже давно прийнято масу елементарних частинок виражати в одиницях енергії. Наприклад, в довіднику з елементарної фізики написано, що маса спокою електрона дорівнює 0.51 * 106 еВ або 0.51 МеВ. Так забезпечується рівноправність між частинками і квантами, причому цей підхід – енергетичний! Виникає відразу два питання: яка середовище має нульову масову щільність і як в цьому середовищі можуть виникати поперечні хвилі? На перше питання відповісти легко. Це середовище – вакуум. Для відповіді на друге згадаємо відомі результати.
У нашому макросвіті ми зустрічаємося з трьома рівнями щільності. Так, літр води має масу 1 кг, літр повітря при нормальному тиску має масу 10-3 кг, літр газу при тиску 1 мм рт. ст. має масу 10-6 кг. Останню щільність середовища можна назвати технічним вакуумом. Нарешті, масова щільність космічного вакууму, де в літрі простору може бути одна – дві молекули газу, практично дорівнює нулю. Нагадаємо, поперечні хвилі виникають на кордоні між середовищами з різною щільністю. Так морські хвилі виникають на межі між водою і повітрям. У повітрі, на кордоні між щільним холодним і теплим розрідженим шарами, теж можуть виникати поперечні хвилі. Відомо явище “зірниця”, коли після відходу грози далеко виблискує блискавка, а грім не чути. Це пояснюється тим, що повітря біля поверхні землі, охолодженої дощем, має велику щільність, ніж на висоті пташиного польоту. Гуркіт грому зверху відбиваються від щільного шару і йдуть назад, не досягаючи наших вух. При цьому на кордоні між шарами повітря виникають поперечні хвилі інфразвуковий частоти, які ми не чуємо.
Можливо, вакуум це не просто однорідна “велика порожнеча”, як вважали древні греки. Навпаки, у вакуумі можуть бути зони з різною щільністю. Тільки щільність ця не масова, а енергетична. Ми її не відчуваємо, як не відчуваємо електричне поле. На кордоні між зонами з різною енергетичною щільністю можуть виникати поперечні хвилі. Складаючись, енергетичні хвилі можуть утворювати пакети енергетичних хвиль. Ці пакети хвиль наші макропрібора реєструють як фотони, електрони та інші частинки.
Ця ідея не така вже безглузда. Згадаймо теорію напівпровідників. Електронні оболонки, які пов’язують атоми в кристал, утворюють зону негативної енергії. Електрони провідності переміщуються в зоні позитивної енергії між вузлами кристалічної решітки. Теорія енергетичних зон в кристалах підтверджена дослідами і прийнята всіма вченими. Якщо з дослідів випливає, що фотони, ці поперечні хвилі, можуть переміщатися в вакуумі, значить, вакуум повинен мати, як мінімум, дві зони з різною енергетичною щільністю, між якими повинна бути досить різка межа.
Дірак, складаючи рівняння для руху електрона майже зі швидкістю світла, використовував методи теорії квантів. Вирішуючи рівняння (рівняння Дірака), він отримав для вільного електрона два значення енергії, позитивне і негативне. Про позитивної енергії ми знаємо. Це енергія електрона, яку він має, наприклад, в досвіді Комптона. Але що таке “вільний електрон з негативною енергією”? Колеги Дирака поставилися з недовірою до отриманого результату і запропонували його відкинути, як не має фізичного сенсу. Але Дірак не погодився, Він припустив, що у вакуумі, крім зони з позитивною енергією частинок, додатково існує прихована зона негативних енергій. Вільний електрон, що має по Дірака позитивну енергію, може виробляти роботу, що реєструється нашими приладами. У зоні негативних енергій електрон пов’язаний. Такий електрон не виробляє роботу і не реєструється приладами.
З теорії Дірака випливає, що якщо гамма – квантом достатньої енергії подіяти на пов’язаний електрон, він може перейти у вільний стан. Тоді у вакуумі утворюється вакансія – дірка. Але в дірці від електрона повинен бути позитивний заряд. Висновок такий, що після опромінення квантами вакууму в просторі повинні з’явитися, крім електронів, частинки з масою електрона, але з позитивним зарядом. Ці частинки можуть здійснювати роботу. Забігаючи наперед, скажемо, що такого роду об’єкти називаються античастинки. Античастинку для електрона назвали позитроном. При зіткненні електрона з позитроном електрон займає місце “дірки”, т. Е. Позитрона. При цьому з екранів приладів зникають відразу обидві частинки, зате в зоні спостереження (т. Е. В нашій зоні) з’являється квант з енергією, що дорівнює двом масам спокою електрона (або позитрона).
Теорія Дірака була настільки незвичайною, що більшість фізиків не прийняли її. Але, як казав Ейнштейн, кращий суддя – це експеримент. Першим Андерсен виявив позитрони в складі космічних променів. Потім було показано, що, опромінюючи гамма-квантами технічний вакуум, за певних умов можна спостерігати народження пар електрон-позитрон. Прямі вимірювання показали, що це відбувається при енергії квантів, рівної 1.02 МеВ. Це значення в точності дорівнює подвоєною масі спокою електрона, рівний 0.51 МеВ.
Після робіт Андерсена багато фізиків кинулися шукати антипротони. Ці пошуки увінчалися успіхом. Згодом були знайдені античастинки практично для всіх частинок, за винятком фотона. Квант світла виявився єдиною часткою, яка не має своєї античастинки. Цей науковий факт змушує замислитися.
З теорії Дірака випливає, що між негативною і позитивною зоною існує енергетичний зазор, свого роду заборонена зона. При цьому маса спокою будь-якої вільної частинки не повинна мати значення з цієї зони. Але фотони не мають маси спокою. Ми не знаємо, які процеси відбуваються в зоні негативних енергій. Можливо, коливання негативної енергії в море Дірака народжують поперечні хвилі, гребені яких переміщаються по забороненій зоні. Ми, мешканці зони позитивних енергій (як нам здається), спостерігаємо ці хвилі як фотони, стабільні частинки з властивостями поперечних хвиль. У забороненій зоні, з нульовою в усіх відношеннях щільністю, яка не виробляє ні найменшого опору руху матерії, ці фотони носяться зі швидкістю світла, недосяжною для всіх інших частинок, що мають масу спокою. Можливо, саме тому фотон не має античастинки, так як він народжується і переміщається в забороненій зоні, яка відокремлює наш світ від антисвіту.
Ймовірно, при більш сильних коливаннях в негативній енергетичної зоні верхівки енергетичних хвиль вихлюпуються в позитивну зону вакууму. Аналогічні викиди електронів в зону провідності відомі в напівпровідниках. Можливо, вільні електрони це просто верхівки енергетичних вихорів, закинутих у наш простір. Якщо такий закид відбувається через якісь проміжні рівні в забороненій зоні, то в нашому Всесвіті замість позитронів можуть виникати й інші античастинки. Цим можна пояснити, чому в нашому Всесвіті позитронів менше, ніж електронів.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 4.50 out of 5)

Море Дірака