Вакуумное море Дирака

Нобелевская премия 1936 г. "Вакуумное море" Дирака. Античастицы
12 августа 2021

Физический вакуум является особым видом материи, претендующим на первооснову мира. Такой континуальный физический объект является наиболее фундаментальным видом физической реальности. Свойство континуальности придает ему наибольшую общность и не накладывает ограничений, свойственных множеству других объектов и систем. На данном этапе вакуум является физическим объектом принципиально недоступным для приборного наблюдения.

Физический вакуум стал предметом изучения физики благодаря усилиям известных ученых: П. Дирака, Р.Фейнмана, Дж.Уиллера, Я.Б.Зельдовича, и др. Понимание физического вакуума как не пустого пространства сформировалось в квантовой теории поля. Достижению реальных результатов, в плане практического использования энергии физического вакуума, мешает непонимание его природы. Загадка природы физического вакуума остается одной из нерешенных проблем фундаментальной физики.

К настоящему времени удалось раскрыть лишь некоторые тайны связанные с удивительным феноменом - вакуумом.

    "Проблема точного описания вакуума, по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее врнмя перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, то как можно рассчитывать на правильное описание чего-то более сложного" Поль Дирак

Англичанина Поля Дирака (1902-1984) часто называют величайшим физиком-теоретиком XX века. И на это есть причины — именно он вывел уравнение, позволяющее описать электрон (уравнение Дирака), а также открыл (точнее, переоткрыл, но об этом чуть ниже) антиматерию. За свои научные достижения в 1933 году он был удостоен Нобелевской премии по физике, ученому на тот момент был всего 31 год.

    "Вряд ли перед физиками когда - либо стояла задача дать теоретическое описание объекта столь же высокой сложности, каким оказался вакуум. Л. В. Лесков - доктор физико-математических наук, профессор МГУ, разработчик и руководитель ряда направлений российской космонавтики

В ряде философских концепций в качестве фундаментальной основы мира рассматривается категория "ничто". Ничто не считается пустотой, а рассматривается как "содержательная пустота". При этом подразумевается, что "ничто", лишенное конкретных свойств и ограничений, присущих обычным физическим объектам, должно обладать особой общностью и фундаментальностью и, таким образом, охватывать все многообразие физических объектов и явлений. Таким образом, "ничто" причисляется к ключевым категориям.

Очень похожими признаками современные ученые наделяют физический вакуум. При этом, физический вакуум, будучи относительным небытием и "содержательной пустотой", является вовсе не самым бедным, а наоборот, самым содержательным, самым "богатым" видом физической реальности . Считается, что физический вакуум, являясь потенциальным бытием, способен порождать все множество объектов и явлений наблюдаемого мира. Таким образом, физический вакуум претендует на статус онтологического базиса материи. Несмотря на то, что актуально физический вакуум не состоит из каких-либо частиц или полей, он содержит все потенциально. Поэтому, вследствие наибольшей общности, он может выступать в качестве онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, пустота – самая содержательная и наиболее фундаментальная сущность.

В современной физике предпринимаются попытки представить физический вакуум различными моделями. Многие ученые, начиная с П. Дирака, пытались найти модельные представления, адекватные физическому вакууму. В настоящее время известны: вакуум Дирака, вакуум Уиллера, вакуум де Ситтера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека

Вакуум Дирака

Дираку, ему первому удалось сделать важнейшие шаги в раскрытии тайн вакуума, точнее. в построении теории его квантово-механических свойств. В 1928 году он записал релятивистское уравнение для электрона, которое одновременно удовлетворяло требованиям и квантовой механики и теории относительности. Из этого уравнения Дирак получил важное удивительное следствие.

Из уравнения получалось, что электроны могут иметь не только положительную, но и отрицательную энергию.

Такой результат, разумеется совершенно расходился с привычными представлениями классической механики. Кинетическая энергия любой частицы определяется как 1/2 произведения массы на квадрат скорости. Как тогда понимать, что такое отрицательная энергия?

Из уравнения Дирака следовал еще один интересный вывод: нулевых значений энергии быть не может, между зонами положительных и отрицательных энергий существует промежуток, в котором ни один электрон находиться не может, - это так называемая промежуточная зона.

В 1930 году Дирак решает проблему отрицательной энергии, представляя эти частицы дырами.

    "Дырка должна быть новым типом частицы, неизвестной еще экспериментальной физике: у нее должна быть та же масса, что и у электрона, а заряд - противоположный заряду электрона...Мы можем получить их экспериментально в высоком вакууме, где они будут вполне стабильны и доступны для изучения" Дирак

Сегодня мы знаем что каждая частица материи имеет античастицу антивещества. Два важных открытия помогли физикам установить этот фундаментальный принцип:

1. позитрон (e + )
1931 г. Изучая данные о космических лучах, Андерсон обнаруживает положительно заряженный электрон, позже названный позитроном. Он получает Нобелевскую премию 1936 года.

2. антипротон (p - )
1955 г. Используя ускоритель в Университете Беркли, Сегре и Чемберлен открыли антипротон. Они получают Нобелевскую премию 1959 года. (Позже физики узнают, что протон содержит кварки, а антипротон состоит из антикварков.)
Карл Дейвид Андерсон (1905-1991)Американский физик-экспериментатор. Известен открытием позитрона - достижение, за которое он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году. Член Национальной академии наук США.

    В 1936 году вместе с Сетом Недермейером Андерсон также открыл положительный и отрицательный «мезотрон», который теперь называется мюоном. Таким образом, он добавил к физике три новые частицы и указал путь к существованию антивещества. Чтобы получить более интенсивные космические лучи с более высокой энергией, пара перевезла свою магнитную камеру Вильсона на вершину Пика, штат Колорадо. Анализируя фотографии камеры Вильсона после лета на Пике, они обнаружили положительные и отрицательные треки, которые отличались от электронов и протонов и имели промежуточную массу.

Получается, что состояния с отрицательной энергией - вещь реальная. Но переходы в обычном состоянии туда запрещены. Заполненных состояний с отрицательной энергией должно быть бесконечно много, так полагал Дирак и он считал, что это сотояние и есть собственно вакуум.

Вакуум никак себя не проявляет. Но если, воздействовать на вакуум мощными квантами гамма-излучения с энергией. достаточной для преодоления электроном запрещенного энергетического промежутка, получим при столкновении с этим гамма-излучением избыточную величину положительной энергии, достаточную для того, чтобы позитрон выскочил из "моря" отрицательной энергии и перешел в область положительных энергий. А что останется на его месте в "вакуумном море" отрицательных энергий? Очевидно, положительная "дырка", по свойствам напоминающая электрон, го только с положительным зарядом. Поскольку любой соседний электрон может теперь, не нарушая принципа паули, перейти на место этой дырки. она как бы приходит в движение и, следовательно, ее можно будет зарегистрировать.

Вакуум Дирака состоит из электронов и позитронов.

Вследствие квантовых флуктуаций вакуума в нем "ниоткуда" возникают электроны, спустя 10 в минус 22 степени секунды исчезают в "никуда". Квантовый вакуум должен буквално кипеть такими частицами-призраками. которые возникают и исчезают без следа. Время жизни таких частиц ничтожно мало, чтобы они успели принять участие в к-л парных взаимодействиях с реальными частицами. Поэтому они называются виртуальными, что на латыни означает возможными.

Как же удалось доказать их существование?

Известно что электрон обладает магнитным моментом - магнитоном Бора. Величина этого магнитона, измеренная экспериментально, оказалась несколько иной, чем получалось по квантовомеханическому расчету. Но когда в теорию ввели поправку. учитывающую влияние на магнитные свойства электрона коллективные воздействия "тумана" виртуальных частиц. результат совпал с наблюдаемым значением с поразительной точностью - до одиннадцатого знака.

На сегодняшний день квантовая электродинамика, основателем которой по праву считается П. Дирак, являет собой пример наиболее разработанной физической теории. Теоретические выводы, следующие из ее уравнений, совпадают с результатами опыта с высокой степенью точности (с точностью до величин порядка 10 -7). Тем не менее, не опыт является истиной. Это всего лишь критерий истины. Дело в том, что анализ уравнений квантовой электродинамики позволяет выяснить ряд трудностей. Они приводят к противоречивым выводам и указывают на незаконченность уравнений квантовой электродинамики. П. Дирак это прекрасно понимал и с горечью замечал, что «правильный вывод состоит в том, что основные уравнения неверны». Если бы эти слова произнес не П. Дирак, а какой-нибудь другой даже очень авторитетный теоретик, все остальные физики подумали бы, что он сумасшедший!

Спасибо за внимание!