"Антиматерія фізично і хімічно нічим не відрізняється від матерії. Власне, це та ж матерія, тільки вивернута навиворіт. Для проціонідів наші фізичні та хімічні довідники придатні так само, як і для нас. Вони описують ті ж самі закономірності, ті ж самі реакції з тими ж самими елементами. Тільки для них наша матерія є антиматерією. Питання, з якого боку дивитися ". (Кшиштоф Борунь, «Антимір», 1963)
Відкриття античастинок по праву вважається найбільшим досягненням фізики ХХ століття. Воно вперше довело нестабільність матерії на самому глибинному, самому фундаментальному рівні. До цього всі були впевнені, що речовина нашого світу складена з елементарних частинок, які ніколи не зникають і не народжуються заново. Ця проста картина пішла в минуле, коли без малого 80 років тому було доведено, що електрон і його позитивно заряджений двійник при зустрічі зникають, народжуючи кванти електромагнітного випромінювання. Пізніше з'ясувалося, що частинкам мікроміру взагалі властиво перетворюватися один в одного, причому багатьма способами. Відкриття античастинок поклало початок докорінної трансформації фундаментальних уявлень про природу матерії.
Думка про можливість існування антивіщення вперше була висловлена в 1898 році - англієць Артур Шустер опублікував в журналі Nature вельми туманну замітку, ймовірно, натхненну недавнім відкриттям електрону. «Якщо існує негативна електрика, - запитував Шустер, - чому б не існувати негативно зарядженому золоту, такому ж жовтому, з тією ж точкою плавлення і з таким же спектром?» А далі у нього - вперше у світовій науковій літературі - з'являються і слова «антиатом» і «антивіщення». Шустер припускав, що антиатоми притягуються один до одного гравітаційними силами, але відштовхуються від звичайної матерії.
Антиелектрони вперше були помічені в експерименті знову-таки до моменту свого офіційного відкриття. Це зробив ленінградський фізик Дмитро Скобельцин, який у 1920-х роках досліджував розсіювання гамма-променів на електронах у камері Вільсона, поміщеній у магнітне поле. Він зауважив, що деякі треки начебто електронного походження викривляються не туди, куди належить. Справа, зрозуміло, в тому, що гамма-квант при взаємодії з речовиною може давати початок електрону і позитрону, які в магнітному полі закручуються в протилежних напрямках. Скобельцин цього, природно, не знав і пояснити дивний ефект не зміг, але в 1928 році доповів про нього на міжнародній конференції в Кембриджі. За цікавим збігом, роком раніше до ради кембриджського коледжу Св. Івана обрали молодого фізика-теоретика Поля Дірака, чиї дослідження з часом дозволили пояснити ці аномалії.
Рівняння Дірака
У 1926 році австрієць Ервін Шредінгер сформулював рівняння, що описує поведінку нерелятивістських частинок, підпорядкованих квантовій механіці, - диференційне рівняння, рішення якого визначають стан частинки. Рівняння Шредінгера описувало частинку, яка не має власного кутового імпульсу - спина (інакше кажучи, не поводиться як вовчок). Однак у 1926 році вже було відомо, що електрони володіють спином, який може мати два різних значення: грубо кажучи, вісь електронного вовчка орієнтується в просторі лише в двох протилежних напрямках (через рік аналогічний доказ було отримано і для протонів). Тоді ж швейцарський теоретик Вольфганг Паулі узагальнив рівняння Шредінгера для електрону, так щоб воно дозволяло враховувати спин. Таким чином, спин спершу відкрили експериментально, а потім штучно нав'язали шредінгерівському рівнянню.
У релятивістській механіці Ейнштейна формула для енергії вільної частинки виглядає складніше, ніж у ньютонівській. Перевести ейнштейновську формулу в квантове рівняння нескладно, це виконали і Шредінгер, і троє його сучасників. Але рішення такого рівняння показують, що ймовірність знаходження частинки в певній точці може виявитися негативною, що не має фізичного сенсу. Виникають й інші неприємності, обумовлені тим, що математична структура нового рівняння (його називають рівнянням Клейна-Гордона) розходиться з теорією відносності (формальною мовою, воно не є релятивістськи інваріантним).
Ось над цим завданням у 1927 році і задумався Дірак. Для збереження інваріантності він включив у рівняння не квадрати операторів енергії та імпульсу, а їх перший ступінь. Щоб записати рівняння в такому вигляді, довелося спочатку ввести в нього більш складні, ніж у Паулі, матриці розміром 4х4. У цього рівняння виявилися чотири рівноправних рішення, причому в двох випадках енергія електрона позитивна, а в двох - негативна.
Тут і виникла заковика. Перша пара рішень інтерпретувалася просто - це звичайний електрон в кожному з можливих спинових станів. Якщо додати в рівняння Дірака електромагнітне поле, то легко вийде, що електрон володіє правильним магнітним моментом. Це був гігантський успіх теорії Дірака, яка без жодних додаткових припущень наділила електрон і спином, і магнітним моментом. Однак в перший час ніхто не міг вирішити, що робити з іншими рішеннями. І в ньютонівській, і в ейнштейнівській механіці енергія вільної частинки ніколи не буває негативною, і частинки з енергією менше нуля викликали подив. До того ж було незрозуміло, чому звичайні електрони не переходять в передбачені теорією Дірака стани з свідомо меншою енергією, в той час як електрони в оболонках атомів такої можливості не упускають.
Пошуки сенсу
Через два роки Дірак знайшов дуже красиву інтерпретацію парадоксальних рішень. Відповідно до принципу Паулі два електрони (як і будь-які частинки з напівцілим спином) не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані. За думкою Дірака, всі статки з негативною енергією в нормі вже заповнені, а перехід в ці стани із зони позитивних енергій заборонений принципом Паулі. Тому дираківське море електронів з негативною енергією в принципі ненаблюдаемо, але лише до тих пір, поки в ньому немає вільних вакансій. Таку вакансію можна створити, якщо вибити електрон з негативного енергетичного рівня на позитивний (наприклад, досить потужним квантом електромагнітного випромінювання). Оскільки електронне море втратить одиницю негативного заряду, вакансія (Дірак назвав її діркою) буде поводитися в електричному полі як частинка з плюсовим зарядом. За цією ж логікою падіння електрона з нормального стану в таку дірку веде до зникнення і електрону, і дірки, що супроводжується випусканням одного фотона.
А як виявляють себе дираківські дірки в реальному світі? "
