Темная сторона материи. Дирак. Антивещество

Коллектив авторов

Смысл заявления физика лучше понятен из письма Дирака Бору, которое он послал за несколько недель до начала конгресса:

«В последние месяцы мы с Пайерлсом работали над возможным изменением, которое производит статичное электромагнитное поле в распределении электронов с отрицательной энергией. Мы смогли наблюдать, что это распределение производит частичную нейтрализацию изначального заряда поля. [...] Если не учитывать возмущения, производимые полем в море электронов с энергиями меньше -137², нейтрализация заряда является слабой — порядка 1/137. Из этого мы заключили, что все физические заряженные частицы — электроны, протоны и другие — имеют меньший эффективный заряд, нежели их настоящий заряд. [...] Эффективный заряд — это заряд, измеряемый реально в любом опыте с низкой энергией. [...]

Настоящее значение немного выше. [...] Мы также должны быть готовы к небольшим изменениям в формуле рассеяния Резерфорда, в формуле Клейна — Нишины, в выражении постоянной тонкой структуры Зоммерфельда и так далее».

В приведенном выше тексте Дирак вводит понятия, ставшие современным языком квантовых теорий поля. «Эффективный заряд» Дирака является тем, что сегодня называют физическим зарядом. «Настоящий заряд» соответствует голому заряду. А возмущения, производимые полем в море электронов с отрицательной энергией, представляют собой то, что известно в наши дни как процесс поляризации вакуума.

Единственной целью теоретической физики является расчет результатов, которые могут быть сопоставлены с результатами опытов. [...] Совершенно излишне искать удовлетворительное описание всего хода явлений.

Поль Дирак

Физик осуществил первый расчет изменения заряда, связанного с наличием моря Дирака. Снова появились расходящиеся интегралы. Дирак решил проблему с помощью разных математических приемов, позволивших ему избежать расходящихся интегралов. Его способ лег в основу того, что позднее, в конце 1940-х годов, будет названо методом перенормировки (он подробно объяснен в следующем разделе данной главы).

Эти техники дали возможность переформулировать теорию квантовой электродинамики, превратив ее в самую точную физическую теорию.

Новая теория Дирака была принята довольно сдержанно и вызвала резкую критику со стороны его коллег. Паули находил идеи Дирака «искусственными, математически слишком сложными и лишенными физического смысла». Обычно сдержанный Гейзенберг высказался еще резче, расценив теорию как абсурдную. Понятие поляризации вакуума, введенное Дираком, однако закрепилось, и очень скоро другие ученые начали изучать этот эффект.

Сообщество физиков было озадачено и в основном испытывало чувство неудовлетворения. Сам Дирак становился все более скептичным, и по сути его мнение не отличалось от мнения Гейзенберга и Паули. Он попытался решить проблему бесконечных величин, используя сложные и «искусственные» математические техники, вопреки «математической красоте физики» (а следование ей было самым дорогим ему принципом). В последующие годы разочарование Дирака достигло такой степени, что он пошел еще дальше своих коллег в критике квантовой электродинамики.

ПРОБЛЕМА БЕСКОНЕЧНЫХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕНОРМИРОВКА

Проблема результатов с бесконечными пределами и расходящихся интегралов уже появлялась в XIX веке в связи с электромагнитной теорией Максвелла. Электрически заряженная частица порождает вокруг себя поле, которое в свою очередь производит электромагнитную энергию, меняющую массу частицы («собственная энергия»). Эта энергия обратно пропорциональна расстоянию между положением заряженной частицы и положением, в котором вычисляется энергия поля. Трудность заключается в следующем: какую энергию производит электромагнитное поле, образованное частицей в ее собственном положении? Логически расстояние равно нулю, что влечет за собой результат в виде бесконечной величины. С классической точки зрения проблема решена, так как частица имеет определенную структуру и конечное расширение, поскольку заряд распределен по ее поверхности. Поэтому энергия, произведенная полем, обратно пропорциональна радиусу, определяющему расширение частицы.

В квантовой физике не допускается представление об электроне с пространственным расширением; напротив, электрон является элементарной частицей, без внутренней структуры. Квантовое описание электрического поля, образованного электроном, задано через испускание или поглощение виртуальных фотонов, существование которых вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Этот процесс изображен на рисунке 1. Такие графики называются «диаграммами Фейнмана». В определенный момент электрон, представленный непрерывной линией, испускает фотон, который затем вновь поглощается самим электроном (траектория фотона соответствует волнистой линии). Расчет данного процесса (вычисление собственной энергии электрона) ведет к появлению расходящихся интегралов. Описанный процесс соответствует самому простому случаю, когда испускается и поглощается только один фотон. Но можно представить гораздо более сложные процессы, увеличивая количество вовлеченных виртуальных фотонов.

РИС. 1

РИС. 2

РИС. 3

Сочетание принципа неопределенности и принципа эквивалентности массы и энергии является главным для понимания квантового вакуума. В квантовом вакууме непрерывно происходят квантовые колебания, которые могут привести к рождению виртуальных пар частица/античастица. Введенное Дираком понятие поляризации вакуума напрямую связано с этими виртуальными парами. Рассмотрим электрон, непрерывно испускающий и поглощающий виртуальные фотоны, которые в свою очередь могут приводить к рождению виртуальных пар электрон/позитрон. Позитроны стремятся приблизиться к физическому электрону, тогда как виртуальные электроны стремятся удалиться от них (см. рисунок 2).

Этот процесс тоже может быть показан через диаграммы. В результате видно, что заряд электрона частично нейтрализуется «облаком» окружающих его виртуальных позитронов (см. рисунок 3).

Процесс, представленный на предыдущих рисунках, может быть рассчитан; результат с бесконечным пределом появляется, когда расстояние стремится к нулю. Важно заметить, что анализ все более коротких расстояний приводит к рассмотрению все больших энергий, и поэтому бесконечное количество все более сложных процессов может значительно влиять как на энергию, так и на массу электрона.

Решение проблемы бесконечных величин появилось в конце 1930-х годов вместе с работами Хендрика А. Крамерса (1894-1952). Главная идея заключалась в следующем: в квантовой теории имеют смысл только те величины, которые можно измерить; иначе говоря, величины, которые невозможно измерить, определять не имеет смысла, они могут быть неопределенными. Так, масса и заряд электрона, наблюдаемые в лаборатории, соответствуют действительному электрону, то есть электрону, испускающему и поглощающему виртуальные фотоны, непрерывно поляризуя вакуум. Зато величины, появляющиеся в уравнениях квантовой электродинамики, соответствуют массе и заряду электронов, которые не подвергаются взаимодействию (обычно называемые идеальными или голыми электронами). Между тем эти величины «голых» электронов (m₀,е₀) могут быть неопределенными (бесконечными), поскольку они соответствуют не физической ситуации. В реальности действительный электрон всегда является объектом взаимодействия: даже если он изолирован, он взаимодействует сам с собой, испуская и поглощая фотоны.

В конце 1940-х годов Фейнман, Швингер и Томонага разработали математический метод, позволяющий получить однозначные результаты. Он называется «методом перенормировки» и устанавливает отношение между измеренными в лаборатории значениями массы и заряда электрона и «возможными» значениями, соответствующими «голому» электрону. Данное отношение задано через постоянные перенормировки.

Как определить эти постоянные для физических результатов таким образом, чтобы они не были двусмысленными? Процедура, разработанная Ричардом Фейнманом, заключалась во введении числа минимального вычитания в решениях различных интегралов так, чтобы их результат и, соответственно, значения «голого» электрона имели конечный предел. Однако проблема состоит в том, что эти значения во многом зависят от выбранного числа вычитания. Иначе говоря, свойства «голого» электрона по-прежнему не определены.