Открытие позитрона (1932)

Уравнение Дирака

В 1928 году британский физик Поль Дирак вывел уравнение, описывающее электрон одновременно по законам квантовой механики и специальной теории относительности. Уравнение Шредингера было нерелятивистским, а попытки обобщить его сталкивались с трудностями. Уравнение Дирака стало триумфом теоретической физики: из него естественным образом следовало существование спина электрона и точно описывалась тонкая структура спектра водорода.

Однако у уравнения была странная особенность. Наряду с решениями, описывающими электрон с положительной энергией, оно имело решения с отрицательной энергией. Отбросить их было нельзя: квантовая теория предсказывала, что обычный электрон должен переходить в эти состояния, излучая энергию, и в результате вещество было бы неустойчиво.

Море Дирака

В 1930 году Дирак предложил смелое решение. Он предположил, что все состояния с отрицательной энергией уже заняты электронами, образующими ненаблюдаемое бесконечное «море». По принципу Паули обычный электрон не может перейти в занятое состояние. Если же в этом море образуется незанятое место - «дырка», - она будет вести себя как частица с положительной энергией и положительным зарядом.

Сначала Дирак предположил, что такие дырки - это протоны, единственные известные тогда положительно заряженные частицы. Однако математик Герман Вейль и физики, в том числе Роберт Оппенгеймер и Игорь Тамм, показали, что масса дырки должна быть равна массе электрона, а не протона, и что электрон и протон в такой картине быстро аннигилировали бы друг с другом, делая атомы неустойчивыми.

В 1931 году Дирак признал это и сделал предсказание: должна существовать новая частица - «антиэлектрон» с массой электрона и положительным зарядом. Он добавил, что при встрече с электроном антиэлектрон аннигилирует, а пара электрон и антиэлектрон может родиться из гамма-излучения. Он также допустил, что и у протона может существовать отрицательный партнер. Большинство физиков отнеслось к этим идеям скептически.

Поль Дирак

Поль Адриен Морис Дирак родился в 1902 году в Бристоле в семье швейцарца, преподававшего французский язык, и англичанки. Отец, строгий и деспотичный, требовал, чтобы дома с ним говорили только по-французски, и мальчик вырос крайне молчаливым. Дирак получил инженерное образование, а затем изучал математику в Бристоле и Кембридже. Прочитав в 1925 году статью Гейзенберга о матричной механике, он создал собственную, особенно изящную формулировку квантовой механики.

Дирак был известен немногословием, буквальностью и стремлением к математической красоте, которую считал критерием истинности физической теории. О его лаконичности ходили анекдоты, многие из которых, вероятно, приукрашены. В 1932 году, в год открытия позитрона, он занял в Кембридже Лукасовскую кафедру математики, которую некогда занимал Ньютон.

Космические лучи в Пасадене

Карл Дэвид Андерсон родился в 1905 году в Нью-Йорке в семье шведских иммигрантов и учился в Калифорнийском технологическом институте, где защитил диссертацию. Руководитель лаборатории Роберт Милликен, нобелевский лауреат, поручил ему изучать космические лучи - излучение, приходящее из космоса, природа которого тогда была предметом споров. Милликен считал их гамма-лучами, рождающимися при синтезе атомов в межзвездном пространстве, - «криками новорожденных атомов».

Андерсон построил камеру Вильсона - прибор, в котором заряженные частицы оставляют видимые следы из капелек тумана в пересыщенном паре. Камеру поместили в поле мощного электромагнита: заряженные частицы в магнитном поле движутся по дугам, и по направлению изгиба можно определить знак заряда, а по радиусу - импульс. Андерсон фотографировал следы частиц, возникающих при прохождении космических лучей.

Частица, идущая вверх

Уже в 1931 году Андерсон заметил среди следов частицы, изгибавшиеся так, как если бы они имели положительный заряд. Милликен предполагал, что это протоны. Но следы были слишком тонкими: протон с таким импульсом ионизировал бы газ гораздо сильнее. Другое объяснение - что это электроны, движущиеся снизу вверх, - казалось маловероятным, поскольку космические лучи приходят сверху.

Чтобы определить направление движения, Андерсон поместил в середину камеры свинцовую пластину толщиной около шести миллиметров. Проходя через пластину, частица теряет энергию, и после нее ее след изгибается сильнее. 2 августа 1932 года Андерсон получил фотографию, ставшую знаменитой: частица двигалась снизу вверх, прошла через свинец, потеряв часть энергии, и изгиб следа показывал положительный заряд. По длине пробега и характеру ионизации частица не могла быть протоном: ее масса была близка к массе электрона.

В сентябре 1932 года Андерсон опубликовал в журнале Science короткую заметку о кажущемся существовании легко отклоняемых положительных частиц. В марте 1933 года вышла подробная статья «Положительный электрон» в Physical Review. Андерсон предложил называть новую частицу позитроном. Любопытно, что он, по собственным воспоминаниям, в момент открытия почти не был знаком с теорией Дирака и пришел к выводу о новой частице исключительно из анализа фотографий.

Спор о космических лучах

Открытие Андерсона имело значение и для давнего спора о природе космических лучей. Милликен настаивал, что первичные космические лучи - это фотоны, гамма-излучение. Его оппонент, другой нобелевский лауреат Артур Комптон, в начале 1930-х годов организовал измерения по всему миру и обнаружил широтный эффект: интенсивность космических лучей зависела от географической широты, что указывало на влияние магнитного поля Земли и, следовательно, на то, что первичные лучи в значительной части состоят из заряженных частиц. Спор между Милликеном и Комптоном в 1932-1933 годах выплеснулся на страницы газет.

Снимки Андерсона, на которых было видно множество заряженных частиц разных типов, подрывали позицию его руководителя. Позднее было установлено, что первичные космические лучи - это в основном протоны и ядра более тяжелых элементов, которые, сталкиваясь с атомами атмосферы, порождают ливни вторичных частиц, в том числе электронов, позитронов и мюонов. Космические лучи на два десятилетия стали главным источником новых частиц, пока их не сменили мощные ускорители.

Кембридж: пары и ливни

Независимо от Андерсона в Кавендишской лаборатории над космическими лучами работали британский физик Патрик Блэкетт и итальянец Джузеппе Оккиалини. Они усовершенствовали камеру Вильсона, соединив ее со счетчиками Гейгера: камера срабатывала автоматически только тогда, когда через счетчики проходила частица. Это позволило получать намного больше полезных снимков.

На их фотографиях были видны «ливни» - множество частиц, вылетающих из одной точки, причем часть из них изгибалась как электроны, часть - в противоположную сторону. В феврале 1933 года Блэкетт и Оккиалини опубликовали результаты, подтвердив существование позитрона. В отличие от Андерсона, они сразу связали его с теорией Дирака и показали, что позитроны рождаются парами с электронами, когда гамма-кванты высокой энергии проходят через вещество. Энергия превращалась в материю в полном соответствии с формулой Эйнштейна.

Вскоре несколько групп обнаружили, что позитроны испускаются и некоторыми искусственно полученными радиоактивными ядрами. В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, открыв искусственную радиоактивность, наблюдали именно позитронный распад.

Кто видел раньше

Как нередко бывает в истории науки, следы позитронов видели и до Андерсона. Советский физик Дмитрий Скобельцын, одним из первых начавший фотографировать космические лучи в камере Вильсона в магнитном поле, в конце 1920-х годов наблюдал следы, которые позднее могли быть интерпретированы как позитронные. Китайский физик Чжао Чжунъяо, работавший в Калтехе, в 1930 году обнаружил аномальное поглощение жестких гамма-лучей в свинце и сопутствующее излучение, объясняемое рождением и аннигиляцией электронно-позитронных пар. Супруги Жолио-Кюри видели на своих снимках следы положительных частиц, но приняли их за электроны, летящие к источнику.

Однако только Андерсон целенаправленно доказал существование новой частицы и опубликовал убедительное доказательство.

Аннигиляция и рождение пар

Открытие позитрона подтвердило предсказания теории Дирака. При встрече позитрона с электроном обе частицы исчезают, превращаясь в гамма-кванты, - это явление назвали аннигиляцией. Обратный процесс, рождение пары электрон - позитрон из гамма-кванта вблизи ядра, наблюдали Блэкетт и Оккиалини.

Эти процессы стали самым наглядным подтверждением эквивалентности массы и энергии. Материя, считавшаяся неуничтожимой, могла исчезать, превращаясь в излучение, и возникать из него. Физика элементарных частиц обрела новое понятие - антиматерию.

Со временем стало ясно, что «море Дирака» - лишь одна из возможных интерпретаций. В квантовой теории поля, развитой в 1930-1940-е годы, частицы и античастицы рассматриваются как равноправные проявления квантовых полей, и представление о бесконечном море электронов стало ненужным. Но предсказание античастиц осталось в силе.

Мир антиматерии

После позитрона физики стали искать античастицы и для других частиц. Антипротон был обнаружен в 1955 году Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом на ускорителе «Беватрон» в Беркли, антинейтрон - в 1956 году. В 1995 году в ЦЕРН впервые были получены атомы антиводорода, а позднее их удалось удерживать в ловушках и изучать их спектр.

Одной из главных загадок современной физики остается асимметрия между веществом и антивеществом: наблюдаемая Вселенная состоит почти исключительно из вещества, хотя законы физики создают частицы и античастицы почти симметрично. Объяснение этой асимметрии остается нерешенной задачей космологии и физики элементарных частиц.

Позитроны в медицине

Позитрон нашел неожиданное практическое применение. В позитронно-эмиссионной томографии пациенту вводят вещество, содержащее радиоактивный изотоп, испускающий позитроны. Позитрон почти сразу аннигилирует с электроном тканей, и два гамма-кванта разлетаются в противоположные стороны. Регистрируя их, томограф восстанавливает трехмерную картину распределения вещества в организме. Этот метод широко используется в онкологии, кардиологии и неврологии, а изотопы для него производятся на компактных циклотронах.

Дальнейшая судьба

В 1933 году Поль Дирак вместе с Эрвином Шредингером получил Нобелевскую премию по физике. В 1936 году Нобелевскую премию получил Карл Андерсон - за открытие позитрона, разделив ее с австрийским физиком Виктором Гессом, открывшим в 1912 году космические лучи. Андерсону был тридцать один год. В том же 1936 году он вместе с Сетом Неддермейером открыл еще одну частицу - мюон. Блэкетт получил Нобелевскую премию в 1948 году за развитие метода камеры Вильсона и открытия в ядерной физике и космических лучах.

Итоги

Открытие позитрона стало первым экспериментальным доказательством существования антиматерии и одним из самых ярких подтверждений силы теоретической физики: частица, предсказанная уравнением, была обнаружена в космических лучах. Оно показало, что у частиц есть античастицы, что материя и излучение могут превращаться друг в друга, и заложило основы физики элементарных частиц и квантовой теории поля. Вместе с открытием нейтрона и расщеплением ядра ускоренными частицами, которым посвящены отдельные статьи, оно сделало 1932 год «чудесным годом» ядерной физики. Сегодня позитроны используются в медицинской диагностике, а изучение антиматерии остается одним из фронтиров физики.