Позитрон и антипротон

В. ЛЬВОВ

К лету 1933 г., казалось, все было спокойно в физике. Незадолго до этого был открыт нейтрон — новая, лишенная электрического заряда мельчайшая частица материи, и строение атома, как думали многие, «стабилизировалось» уже в окончательном виде. Оболочка атома — как известно — состоит из отрицательно заряженных электронов, а ядро — из положительных протонов и нейтральных нейтронов. Изменений не предвиделось... Но не прошло и нескольких месяцев, как новые неожиданные события взволновали физику.

*

Виновником этих событий был молодой английский ученый Поль Дирак. Исследуя написанное им еще в 1927 г. уравнение движения электрона, Дирак обратил внимание на следующий факт. Уравнение имеет две серии решений. Одни решения имеют знак плюс, другие — минус. Каждый ответ дает величину энергии электрона, и реальный смысл, казалось, имеют одни лишь положительные ответы.

Поль Дирак

Но может ли быть иначе? Может ли энергия выражаться иначе как положительным числом? Не следует ли отрицательные решения уравнения просто отбросить в сторону, как это издавна делалось в физике всякий раз, когда по ходу исследования тех или иных задач отрицательные корни уравнений не имели смысла?

Так думали все. Но как раз в этом пункте Дирак и сделал свой безгранично смелый шаг.

Он выдвинул предположение, что, помимо известных до сих пор электронов с положительной энергией, входящих в поле зрения физики и ее приборов, все мировое пространство «сверху донизу» заполнено бесчисленным множеством невидимых электронов с отрицательной энергией.

Как отнестись к этому предположению? Отрицательные числа, как известно, ничуть «не хуже» положительных и выражают вполне реальные вещи: или обозначают отрицательные величины, как например убыток по сравнению с прибылью, расход по отношению к приходу и т. п. С этой точки зрения предположить, что электрон обладает «отрицательной энергией» — равносильно тому, чтобы сказать, что электрон обладает энергией очень малой. Но тогда возникает вопрос, почему же собственно эти диковинные, обладающие отрицательной энергией электроны никак не действуют на физические приборы и остаются вообще незамечаемыми в поле зрения физики? На этот вопрос Дирак отвечает так.

Незамечаемы электроны с отрицательной энергией как раз потому, что их энергия отрицательна, т. е. весьма мала. Эти электроны находятся как бы в дремлющем, «вялом», «замороженном» состоянии, и поэтому движения их ускользают от наблюдателя. Это, во-первых, а во-вторых: заполняя согласно предположению Дирака равномерной и повсеместно однородной пеленой все мировое пространство, эти электроны образуют однообразный «фон», на котором можно различать быстрые движения электронов с положительной энергией, но самый фон остается при этом невидимым.

Допустим, что это так. Но как убедиться, как доказать на опыте, что этот удивительный оцепенелый электронный рой, что вся эта странная картина действительно существует, а не является фантазией теоретика?

«Предположим, — говорит Дирак, — что в каком-либо месте вселенной произошел разряд энергии, достаточно мощный для того, чтобы «встряхнуть» оцепенелые электроны и перевести их в состояние с положительной энергией. Подсчет показывает, что наименьшая энергия, необходимая для такой встряски, должна быть пропорциональна одному миллиону вольт — величина, не выходящая во всяком случае за пределы возможностей атомной физики»!

Спрашивается теперь, что произойдет в следующий же момент после того, как такая встряска «поднимет» электроны с отрицательного уровня энергии — через нуль —  на уровень энергии положительный? Последствием будут два примечательных явления: во-первых, «замороженный» электрон, возобладав положительной энергией, сразу же окажется «размороженным» и, начав «энергично» перемещаться, появится в поле зрения опыта. Во-вторых, в том месте невидимого «отрицательного» фона, откуда был выбит этот электрон, автоматически образуется пробел или дырка, которую опять таки заметит наблюдатель... Так — в качестве сравнения — отверстие в черном экране, расположенном на белой стене — рельефно выступает, как белый крут на черном фоне. И, точно так же, «дырка», т. е. незаполненный объем в невидимом электронном массиве, воспримется на опыте как самостоятельная частица, по размерам и массе равная электрону, но обладающая знаком заряда и энергии противоположным знаку окружающего «фона»... Не отрицательным, а положительным знаком!

*

Было бы ошибкой — замечу здесь в скобках — думать, что знаменитым дираковским дыркам не соответствует вообще никакая вещественная реальность, что дырки эти имеют лишь мнимое существование! Дело обстоит не так. Объем, занимаемый «дыркой», отнюдь не состоит ведь из «пустоты». Не существует ни одной вообще точки бесконечного мирового пространства, которая не была бы заполнена непрерывной материей, именуемой эфиром. Представляя собою, таким образом, особый, с особыми качествами, объем эфира, «дырки» тем самым должны являться реальными частицами материи, существующими на тех же основаниях, что и электрон, позитрон, нейтрон и все вообще материальные частицы в мире. И — в общем итоге — изумляющее предположение о существовании странных, разбросанных по всем углам вселенной, оцепенелых электронов оказывается возможным проверить на опыте следующим образом. Каждый раз, когда где-либо происходит более или менее сильный разряд энергии, следует ожидать внезапного и одновременного появления вблизи от места разряда сразу двух движущихся друг относительно друга телец: во-первых, электрона и, во-вторых, необычайной и никем никогда не виданной частицы, в точности похожей на электрон, но обладающей в отличие от него не отрицательным, а положительным зарядом.

12 августа 1933 г. событие совершилось! В этот день молодой ассистент Калифорнийского политехнического института в городе Пасадена (США) Карл Д. Андерсон, бегло просмотрев одно из фото, заснятых за предыдущую неделю в камере, наполненной водяным туманом, должен был срочно покинуть свой рабочий стол и, разыскав телефонную трубку, соединиться со своим шефом, одним из ведущих физиков современности, Робертом Милликэном.

Профессор Роберт Милликэн

Это было удачное фото! Па пластинку был схвачен как раз тот момент, когда громадная порция энергии, принесенная с потоком так называемых космических (падающих на землю из мирового пространства) лучей, дойдя до поверхности земли, мгновению выделялось внутри камеры. Происходила та «встряска», о которой говорилось выше! Пластинка была испещрена следами частиц, разбрызнутых веером из одной точки. И среди этих частиц были явственно видны изогнутые магнитом в противоположные стороны пути телец, из которых одно — электрон, а другое — никогда не виданный объект: частица с электронной массой, но с зарядом положительного, обратного электрону знака. Положительный электрон («позитрон»)!

Электронных следов было ровно столько же, сколько и позитронных. Все следы —  парные и ни одного одиночного. На каждый электрон приходилась одна «дырка», и притом — ведущая себя в точности так, как того требовали все предсказания теории!

Что произойдет, например, при встрече движущегося в пространстве «нормального», т. е. обладающего положительной энергией электрона с «дыркой», или, иначе говоря, при столкновении электрона с позитроном? Электрон, очевидно, должен немедленно «упасть в дырку»! Падая, т. е. переходя с положительного уровня энергии па отрицательный и включаясь одновременно в невидимый электронный массив, электрон должен, тем самым, исчезнуть из доступной эксперименту части мира. Одновременно прекратит свое существование и дырка. И в качестве единственного следа от происшествия на месте «падения» должна выделиться доля энергии, соответствующая разности между уровнями, на которых находился электрон до и после столкновения.

Точно так и развивались события в ряде проделанных экспериментов. Пустив недавно пучок позитронов на электронный рой в куске металла, французский физик Тибо мог наблюдать внезапные исчезновения пар электронов и позитронов... Одновременно возникал поток лучистой энергии, в виде так называемых гамма-лучей коротковолнового света, количество которого полностью соответствовало «глубине падения» электронов.

Великое открытие совершилась. В первый раз в истории науки человечество заглянуло внутрь скрытого дотоле мира отрицательной энергии — нового мира материи, о существовании которого еще недавно не подозревал никто.

И новые горизонты немедленно же открываются перед нами с этих высот.

Если прав Дирак, если возможен подъем «замороженных» электронов выше нуля энергии — целый ряд замечательных вопросов возникает тогда перед нами один за другим.

Те мириады «нормальных», обладающих положительной энергией электронов, что входят в состав материи в привычном ее виде — не были ли эти электроны точно также подняты, в свое время, «со дна» отрицательных энергий мира?

За этим вопросом немедленно следует другой.

Каждому низвергнутому из «подполья» отрицательных энергий электрону соответствует, — сказали мы, — одна «дырка», один позитрон... Но тогда наряду с бесчисленными массами электронов с положительной энергией, функционирующих на земле и в ближайшем к ней районе мира, должны существовать и столь же обширные множества позитронов. Однако на практике мы почти не видим позитронов и до 1930 г. даже не подозревали об их существовании! В чем дело? Ответ один.

Те позитроны, те «дырки», которые соответствуют нашему земному электронному рою, находятся, очевидно, где-то вдали от земли, на других участках вселенной.

Как могло это произойти?

Вот предположительный ответ. Гигантский разряд энергии вроде тех, что сопровождают вспышки особенно ярких «новых звезд», встряхнув некогда «наши» электроны и подняв их с отрицательных уровней энергии, унес вслед за тем эти электроны на достаточно далекое расстояние — прочь от места взрыва.

Дело могло обстоять только так. Если бы события шли иначе, «встряхнутые» электроны оставались бы в непосредственном соседстве с «дырками» и, попав вскоре обратно в эти дырки, скрылись бы из вида. В таком случае мы не имели бы сейчас ни наших электронов, ни земли, ни нашего собственного существования на планете!

И вот, отнесенные в сторону, наподобие столба изверженной вулканом пыли, электроны эти «осели» в конце концов на том участке мира, где расположена сейчас федерация из 30 с лишком миллиардов звезд (включая наше Солнце), которая образует Млечный путь и является непосредственной родиной человека во вселенной. Оставшееся же где-то на неведомом расстоянии место первоначального взрыва, будучи испещрено «дырками» — позитронами, является как бы памятником или остатком разыгравшегося в давние дни гигантского космического события...

Млечный путь и Магеллановы облака

Что следует отсюда дальше? Среди бесчисленных звездных островов материи, среди отдельных, как говорят, галактик (Млечных путей), разбросанных то здесь, то там в мировом пространстве, одни острова, одни галактики должны представлять собой чисто-электронные колонии вроде нашего Млечного пути. Другие же окажутся колониями позитронными, колониями «дырок», нечто вроде «сот», опустевших после вылета пчелиного роя!

Число электронных галактик тем самым равно числу позитронных. На каждый «рой» — одни «соты»!

Есть ли возможность заметить что-либо подобное в мировом пространстве?

В межзвездных объемах нашей галактики, нашего Млечного пути блуждают, как известно, беспорядочные рои электронов, отлетающих беспрестанно с горячей поверхности звезд. Иначе говоря, наша галактика обладает определенным объемным электрическим зарядом, и знак этого заряда есть знак отрицательный (поскольку электроны заряжены отрицательно).

Возьмем теперь другую галактику, другую звездную систему («соты»), в которой главную роль играют позитроны. В межзвездном пространстве такой галактики должен кишеть позитронный рой, и вся эта галактика, взятая в целом, окажется наэлектризованной положительно. Что произойдет теперь, если с течением времени окажутся на сравнительно недалеком расстоянии друг от друга две галактики, из которых одна заряжена отрицательно, а другая положительно? Галактики эти должны будут образовать собою нечто вроде гигантского конденсатора, в котором на двух пластинках накапливаются заряды противоположных знаков. Все положительно-заряженные частицы, начинают двигаться в сторону отрицательного полюса (катода), а отрицательные к положительной пластине (аноду).

Но наша галактика, наш Млечный путь с его тучами отрицательно заряженных электронов должен, как сказано, играть роль катода по отношению к насыщенной позитронами галактике соседней! И в результате наш Млечный путь будет притягивать к себе из окружающего мирового пространства только положительные частицы. Соседняя галактика, если она состоит из позитронов, другими словами —  должна осыпать нас своими позитронами, в то время как мы будем бомбардировать ее нашими электронами.

Но наш земной шар в действительности и осыпается со всех сторон чудовищным дождем частиц, мчащихся со скоростями, соответствующими 200 — 600 миллиардов вольт.

Это — космические лучи. И знак заряда частиц, составляющих эти лучи, как показал учет их отклонений в земном магнитном поле, есть положительный знак. Поток позитронов? Этот вывод можно проверить и с иной стороны.

Сталкиваясь с блуждающими в земной стратосфере электронами и уничтожаясь вследствие «падения» электронов в «дырку», низвергающийся на землю позитронный дождь не может, очевидно, доходить до земной поверхности. Он должен целиком перехватываться, как видим, еще до выхода из стратосферы.

Приемное устройство системы Вернова для регистрации на земле сигналов, отправляемых автоматическим стратостатом под действием космических лучей

Но освобождаемая при «падении» электронов в «дырку» энергия будет продолжать в таком случае идти вниз в виде вторичного потока лучистой энергии. Воспринимаемые на непосредственном опыте космические лучи и представляют собой именно эти вторичные потоки лучистой энергии, состоящие из порций (квант) ультракоротковолновой световой энергии, они-то и обнаруживаются фактически вблизи от земной поверхности. Существование их доказано неоднократными опытами американцев Милликэна и Андерсона, немца Регенера и нашего Александра Брониславовича Вериго.

Участник полета и стратосферу профессор А. Б. Вериго

*

Рассмотрим теперь другой случай. Что произойдет, если две галактики (из которых одна «пчелиный рой», а другая — «соты») не просто подойдут на близкое расстояние, но столкнутся друг с другом? При огромности межгалактических расстояний такие столкновения, конечно, весьма редки, но время от времени (в промежутки в миллиарды миллиардов лет) они все-таки могут иметь место во вселенной.

Колоссальный катаклизм! Все электроны одной галактики начнут падать в «дырки» другой! Произойдет полное взаимоисчезновение электронов и позитронов обеих галактик. «Ко дну мира» пойдут теперь уже не отдельные электроны, а целые секстильоны (10²¹) тонн материи, ибо в каждой галактике насчитывается в среднем до 10⁶º электронов с массой по 10⁻²⁷ грамм каждый... И в качестве своего рода «кругов по воде» или «всплеска» от всех этих падений будут выделяться потоки освобождающейся энергии. Потоки эти во столько же раз превзойдут наблюдавшуюся в опыте Тибо струйку гамма-лучей, во сколько раз 30 миллиардов звезд, составляющих галактику, больше кристаллика металла!

Странствуя по просторам мира и «встряхивая» на своем пути застывшие электроны, эта энергия создаст, очевидно, встречный процесс колонизации межзвездных пространств движущимися с положительной энергией электронами. И на смену погибшим галактикам возникнут тогда новые армии активных электронов. Так будет поддерживаться вечный баланс взлетов и спусков, вечный круговорот энергии и материи в бескрайнем мире...

*

Но вернемся на землю.

Обладая отрицательным электрическим зарядом, электроны, действующие в нашем галактическом участке мира, должны по известному закону физики группировать около себя частицы, заряженные противоположным, т. е. положительным зарядом. Такими частицами являются протоны.

Из комбинаций протонов, нейтронов и электронов и возникают земные атомы, а вместе с ними элементы, входящие в состав земли.

Но тогда, — по тому же самому закону притяжения противоположных зарядов, —  на тех участках мира, где сосредоточены позитроны, должны концентрироваться тяжелые (столь же тяжелые, как протон) частицы, наэлектризованные отрицательным зарядом. Никто не видел еще таких частиц, весящих столько же, сколько весит протон или нейтрон, но несущих заряд не плюс, а минус! Однако эти частицы должны по всем признакам существовать, и название для них уже приготовлено: «антипротон», или «отрицательный протон», или — если угодно — «негатон», от латинского слова «негативус» — отрицательный.

Но если существуют «негатоны», тогда, слипаясь в один комок вместе с нейтронами, они должны образовывать нечто, в точности подобное нашим обыкновенным атомным ядрам за исключением лишь знака заряда. Не положительные ядра, а отрицательные «анти-ядра»! Эти же последние, притянув к себе свиту из положительных позитронов, дадут начало «анти-атомам», или «атомам навыворот», в которых положительные электроны кружатся вокруг отрицательных ядер, а не наоборот, как в обычных атомах. И на основании «анти-атомов» развернется целый новый мир материи, причудливость которого выходит за все мыслимые пределы.

Внутренность, например, металлической проволоки в таком состоящем из анти-атомов «мире навыворот» будет кишеть уже не электронами, как в привычных земных металлах, а позитронами (так как именно из них состоит теперь оболочка атомов и именно они распространяются внутри металла). Электрический ток, тем самым, потечет здесь в направлении обратном по сравнению с направлением земного тока.

Все катодные и прочие вакуумные лампы, в которых используются потоки мчащихся сквозь разряженное пространство частиц, автоматически заменяются тут в свою очередь лампами «анодными». Действительно: так называемые катодные лампы именуются «катодными» по той причине, что движущийся внутри них поток отрицательных электронов срывается с отрицательного полюса — катода. При наличии же тока, составленного из позитронов, все происходит наоборот, и позитроны должны поступать внутрь лампы с анода. Полюса динамомашин, батарей, аккумуляторов точно так же перепутываются навыворот!

Странный мир! Но представляет ли хоть малейший практический интерес реконструкция его на крыльях научной фантазии?! Придется ли когда-нибудь человечеству столкнуться вплотную с «отрицательными протонами», «анти-ядрами» и прочими неслыханными комбинациями материи?

Зарекаться опасно! Мы говорили уже, что позитроны при всей их редкости для наших краев вселенной все же забредают иногда в поле зрения земных лабораторий. Есть много шансов предполагать, что также обстоит дело и с «антипротонами» и что некоторый, пусть малый их процент всегда входит, как правило, в состав земных атомных ядер.

Если же дело обстоит так, тогда важнейшие практические перспективы для химии — налицо!

*

Предположим, на самом деле, что атомные ядра складываются из трех родов частиц с массами, близкими к 1, и с зарядами: + 1 (протоны), 0 (нейтроны) и —1 (негатоны). Количество возможных в природе химических элементов разного качества сразу же увеличится благодаря этому в несколько раз.

Вот пример: пусть атомное ядро имеет массу 4 и заряд 2. В природе этому случаю соответствовал до сих пор только один элемент — \(\mathrm{Гелий}_2^4\) (нижняя малая цифра означает заряд, а верхняя — массу ядра) и только одна комбинация частиц внутри ядра атома: 2 протона + 2 нейтрона.

Что будет теперь, если допустить существование анти-протонов? Тогда становится возможным еще одно сочетание частиц, дающее тот же заряд ядра, равный 2, и ту же массу — 4: 3 протона + 1 негатон.

Действительно: суммы масс и зарядов двух протонов и двух нейтронов равны тем же суммам трех протонов и одного негатона.

И в результате наряду со старым \(\mathrm{Гелий}_2^4\) должен возникнуть теперь новый химический элемент, обладающий тем же самым ядерным зарядом и тою же самой ядерной массой, но все же как-то отличающийся от \(\mathrm{Гелий}_2^4\) по качественному строению ядра!

Теперь уже можно подвести некоторые итоги.

В старой химии с се единственным признаком индивидуальности элементов — атомной массой, расчерченная на 92 клетки таблица Менделеева могла вместить только 92 химических элемента. В сменившем ее в 1920—1930 гг. более просторном химическом мире появился второй признак: заряд атомного ядра, и вместе с ним — десятки новых непредвиденных элементов (с одной и той же массой, но с разными зарядами, и наоборот). Сейчас перед нами новый, третий по счету, признак индивидуальности материи — примесь к атомному ядру негатонов, а вместе с этим признаком —  возможность существования множества новых веществ, о которых до сих нор не подозревал никто!

В момент, когда пишутся эти строки, первые экземпляры подобных веществ уже находятся на лабораторном столе исследователей — физиков!

*

Прослеживая внимательно родословную радиоактивных превращений известного уже читателю металла урана (см. мою статью «Искусственный радий» в № 2, «Т. М.» за 1935 г.), физика с давних нор останавливалась в недоумении перед следующим загадочным отрезком этой родословной:

\(\begin{array}{l}{\mathrm{UX}}_1\rightarrow{\mathrm{UX}}_2\rightarrow\mathrm{UΠ}\rightarrow\\\;\;\;\;\;\searrow\\\;\;\;\;\;\;\;\;\mathrm{UZ}\end{array}\)

Спрашивается, что означает тут боковое ответвление, ведущее к «урану Z»?

Опыт показывает, что элемент, именуемый «ураном икс один», распадаясь с испусканием электронов, превращается в другой элемент, называемый «уран икс два». На первый взгляд все ясно. Атомные ядра «урана икс один», теряя по электрону, должны давать в остатке ядро уже другого сорта с другим зарядом, равным алгебраической разности прежнего заряда и заряда электрона (что же касается атомного веса, то в виду ничтожности электронной массы он практически здесь не меняется).

Продуктом распада «урана X₁», другими словами, должен быть новый и притом один вполне определенный элемент...

Между тем фактически их возникает здесь два: уран Х₂, и уран Z! Оба они имеют, правда, как и следует, одинаковый атомный вес и одинаковый порядковый номер (т. с. ядерный заряд) — условие, казалось бы, вполне достаточное для того, чтобы считать их одним, а не двумя элементами... Однако элементы эти явно разнятся друг от друга! «Уран X,» распадается наполовину в течение 1,17 минуты, уран же Z имеет период полураспада, равный 6,7 часа.. Трижды было непонятно, каким образом ядра с одною и той же массой и одним и тем же зарядом могут обнаруживать разную степень устойчивости, т. е. принадлежать разным элементам?!

Сейчас физика уже располагает ключом для решения этой загадки.

«Уран икс два» и «уран зет», сказали мы, будучи двумя различными элементами, имеют одинаковую ядерную массу и одинаковый ядерный заряд... Но ведь только что было выяснено, что участие в составе атомных ядер третьей, основной частицы —  негатона («анти-протона») — создает как раз возможность существования элементов с одинаковыми массой и зарядом, но с разным строением ядра атома!

Достаточно в частности предположить, что атомное ядро «урана икс два» содержит на два нейтрона меньше, но зато на один протон и один негатон больше по сравнению с ядром «урана Z», чтобы различие в строении обоих этих ядер было обеспечено при полном отсутствии какой-либо

разницы как в массе, так и в заряде ядра! Соединенная масса двух нейтронов на самом деле равна (в достаточном приближении) соединенной массе положительного и отрицательного протонов. Нулевой же заряд двух протонов опять-таки не отличается от суммы зарядов протона и негатона: (+1) + (—1) = 0.

*

Еще один осуществленный на протяжении 1935 г. опыт даст столь же убедительное доказательство существования внутри атомного ядра «антипротонов».

Леонгард Сосновский, поляк, работающий в Париже в лаборатории Ирины Кюри и Фредерикса Жолио, бомбардируя металл висмут нейтронами, получил недавно очередной искусственный радиактивный элемент «радиовисмут» — порядковый № 83, атомный вес 210 — распадающийся наполовину в течение нескольких (от 5 до 12) часов. Если заглянуть в список химических элементов, то оказывается, однако, что рубрика, соответствующая номеру и весу 83 и 210, уже занята другим, давно известным элементом: одним из потомков радия: «радием Е»! Период полураспада радия Е равен 5 дням, т. е. явно отличается от радиовисмута. Перед нами опять два качественно разных элемента с одним и тем же атомным весом и номером, — факт неслыханный еще год назад!

Гипотеза о присутствии антипротонов (негатонов) внутри самых обыкновенных атомных ядер граничит в итоге с твердо установленным фактом.

Извлечение антипротонов из ядер можно считать точно так же, обеспеченным в будущем и притом в самом ближайшем будущем, будущем, исчисляемом не десятилетиями, а годами...

Ничто не сможет тогда помешать экспериментальной физике, загоняя но своему усмотрению «анти-протоны» то в те, то в другие атомные ядра, искусственно вылеплять все новые и новые элементы, раскрывая перед химией сокровищницы материи, рядом с которой все достигнутое до сих пор может быть отойдет далеко на второй план. Вводя, наконец, внутрь ядра столько антипротонов, сколько необходимо для того, чтобы итоговый ядерный заряд стал уже не положительным, а отрицательным, т. е. чтобы число ядерных антипротонов превысило число протонов, — можно будет добиться искусственного создания «материи навыворот» и практического использования всех ее удивительных свойств. Все это будет! Буровая скважина, заложенная нашей славной наукой — физикой внутрь атома, дойдет и до этих пленительных глубин материи!