§ 224. Рождение и аннигиляция пар частиц

Релятивистская теория электрона была создана Дираком в 1928 г. Описание электрона в этой теории существенно иное, нежели в теории Шредингера. Поведение электрона описывается уже не одной волновой функцией, а четырьмя. Из теории Шредингера не следует существования спина электрона. Напротив, спин электрона является необходимым следствием теории Дирака. Успехи этой теории в описании многих явлений доказывают справедливость ее основных идей. Мы остановимся лишь на трактовке этой теорией противоречия, о котором мы сказали в предыдущем параграфе. Как объяснить существование множества обычных электронов? Как понять «нежелание» электронов переходить на более низкий уровень отрицательной энергии?

Принцип Паули не позволяет электрону переходить на более низкий уровень, если этот уровень заполнен двумя электронами с противоположными спинами. Привлечем этот принцип к интересующей нас проблеме. Решение будет получено, если мы предположим, что все состояния с отрицательной энергией заняты. Значит ли это, что все пространство заполнено сплошь электронами в состоянии с отрицательной энергией? Такой вывод как будто неизбежен. Теория Дирака привела к новому представлению о вакууме. Пустота получает в этой теории физические свойства. Она заполнена электронами в состоянии с отрицательной энергией и при этом заполнена ими беспредельно, поскольку нет предела уменьшения энергии к отрицательной бесконечности.

Посмотрим, какие явления способна объяснить и предсказать эта теория.

Если все состояния с отрицательной энергией заняты, то их существование удастся обнаружить лишь после того как благодаря полученной значительной порции энергии, во всяком случае большей электрон перейдет с нижнего уровня отрицательной энергии на верхний уровень. Такой процесс возможен с затратой двух фотонов. Возможен и другой вариант: один фотон, проходящий мимо атомного ядра тяжелого атома (которое обладает сильным электрическим полем), может отдать свою энергию на подъем

электрона с отрицательного на положительный уровень. Роль атомного ядра заключается в придании необходимого импульса.

В обоих этих случаях электрон «рождается». Но наряду с появлением электрона возникает «дырка» в состояниях с отрицательной энергией. Уход электрона, т. е. отрицательного заряда, приводит к тому, что дырка получает равный по величине положительный заряд. С другой стороны, отсутствие частицы с отрицательной энергией означает возрастание энергии. Следовательно, энергия дырки тем выше, чем больше ее импульс. Мы приходим к выводу, что «дырки» должны вести себя так, как положительно заряженные электроны с положительной энергией. За исключением знака заряда, поведение положительного электрона (позитрона) не должно чем-либо отличаться от поведения и законов движения обычного электрона.

Позитрон и электрон «рождаются» в виде пары за счет энергии фотонов. Возможен и обратный процесс — аннигиляция, заключающийся в превращении встретившихся электрона и позитрона в два фотона или в один фотон, если аннигиляция происходит вблизи тяжелого атомного ядра.

Понятно, почему позитроны не живут долго; они притягиваются электронами и при встрече пропадают. Но почему же не пропадают электроны? Просто по той причине, что их имеется избыток.

Может быть, возможно существование систем, где в избытке имеются позитроны и, следовательно, электроны неустойчивы? В таком предположении не содержится ничего бессмысленного.

Рождение пары и аннигиляция являются процессами, которые превосходно и в неограниченном числе наблюдаются в лаборатории. Если у-лучи с энергией больше проходят через тонкую металлическую фольгу, то легко наблюдать выбрасывание из фольги электронов, отклоняющихся в магнитном поле в противоположные стороны. Наблюдая за позитроном (о средствах наблюдения заряженных частиц см. § 207), мы обнаружим в некоторый момент его пропажу. Здесь позитрон соединился с электроном. При помощи современных счетчиков фотонов можно строго доказать, что одновременно из этого места в противоположные стороны направятся два фотона с энергиями порядка каждый.