Модель вакуума П. Дирака. Рождение вещества

Что такое ничто? Ответ на этот вопрос из области философии перекочевал в область физики. С некоторым приближением моделью «ничто» является физический вакуум, который ассоциируется у нас с абсолютной пустотой. Однако согласно современным представлениям пустота вовсе не так уж и пуста, как это кажется сначала.

Современная квантовая модель вакуума получила образное название «море Дирака». Обобщив уравнение Шредингера на случай частиц со спином 1/2, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, П. Дирак получил уравнение, из которого следовало, что наряду с частицами должны существовать и их античастицы, отличающиеся от частиц только знаком заряда. Например, для электрона е^- античастицей является так называемый позитрон е⁺, масса которого равна массе электрона, но заряд положительный (электрон был первой открытой элементарной частицей; еще в XIX веке было установлено, что электрон является составной частью атома, несет отрицательный электрический заряд и очень легок, даже в атомном масштабе масс).

На основе своего уравнения П. Дирак предположил, что вакуум на самом деле вовсе не является пустым, а плотно заполнен частицами, обладающими отрицательными энергиями, существование которых нами никак не регистрируется, то есть из просто пустоты вакуум превращался в добрую половину (а то и более того) всего сущего. При передаче электрону, находящемуся на «отрицательном уровне», достаточной энергии (например от электромагнитного поля), он может перейти в состояние с положительной энергией и стать наблюдаемым. При этом на его месте в вакууме образуется вакантное место – «дырка», поведение которой сходно с поведением такой же частицы, как электрон, но с положительным зарядом, то есть позитрон. Обратное слияние электрона с позитроном (с дыркой в вакууме) приводит к тому, что электрон покидает наблюдаемый мир, то есть исчезает (гибнет) с высвобождением энергии эквивалентной сумме масс электрона и позитрона в виде фотона. Это явление называется аннигиляцией.

В 1932 г. позитроны были обнаружены К. Андерсеном в космических лучах, что явилось блестящим подтверждением теории Дирака. Впоследствии выяснилось, что практически все элементарные частицы, даже не имеющие электрического заряда, имеют своих «зеркальных двойников» – античастицы, способные аннигилировать с ними.

В настоящее время считается, что физический вакуум флуктуирует виртуальными частицами, которые благодаря соотношению неопределенностей Гейзенберга могут на короткое время рождаться из ничего в паре со своими античастицами. При этом между виртуальным электроном и виртуальным позитроном возникает сильное кулоновское притяжение, которое приводит к полной взаимной аннигиляции только что народившихся частиц. Вакуум буквально кипит виртуальными частицами, которые практически не проявляют себя в реальном мире. Но если с помощью внешнего электромагнитного поля (рис.5) «растащить» только что народившуюся пару виртуальных частиц, то в реальном мире мы зафиксируем рождение двух совершенно новых частиц. Именно так, по-видимому, из ничего нарождалось вещество в первые мгновения жизни Вселенной.

Дата добавления: 2014-01-07