ТЕОРИЯ ПОЗИТРОНА

Теория дырок Дирака, утверждавшая существование антиэлектрона, и последующее открытие позитрона стали знаковыми этапами в развитии квантовой электродинамики. Процесс рождения и аннигиляции пары частица/античастица стал естественным объяснением взаимодействия фотона с веществом. В рамках принципа эквивалентности массы и энергии и принципа неопределенности Гейзенберга корректно объяснялось, как энергия электромагнитного поля может превращаться в вещество, и наоборот. Естественно, что с этого момента физик, который заявил о существовании антивещества, сделал вторую попытку сформулировать квантовую теорию излучения. Дирак представил свою новую статью на Сольвеевском конгрессе, состоявшемся в Брюсселе в октябре 1933 года. Она называлась «Теория позитрона». Спустя короткое время после конференции он углубил свою теорию с помощью детальной математической формулировки. Его новая статья была опубликована в начале 1934 года под названием «Обсуждение бесконечного распределения электронов в теории позитронов».

Дирак осознавал, насколько серьезные проблемы (связанные с бесконечными величинами при расчетах энергии электрона) существуют в квантовой электродинамике. Введение позитрона в квантовую теорию излучения не решило проблемы бесконечности для собственной энергии. Кроме того, появились неожиданные эффекты, такие как поляризация вакуума, которые добавили новых трудностей. Дирак закончил доклад на Сольвеевском конгрессе следующим утверждением:

«Согласно результатам, полученным из расчетов, похоже, что электрические заряды, наблюдаемые обычно у электронов, протонов и других частиц, не являются настоящими зарядами этих частиц (теми, которые появляются в основополагающих уравнениях), но эти заряды немного меньше».

Смысл заявления физика лучше понятен из письма Дирака Бору, которое он послал за несколько недель до начала конгресса:

«В последние месяцы мы с Пайерлсом работали над возможным изменением, которое производит статичное электромагнитное поле в распределении электронов с отрицательной энергией. Мы смогли наблюдать, что это распределение производит частичную нейтрализацию изначального заряда поля. [...] Если не учитывать возмущения, производимые полем в море электронов с энергиями меньше -137², нейтрализация заряда является слабой — порядка 1/137. Из этого мы заключили, что все физические заряженные частицы — электроны, протоны и другие — имеют меньший эффективный заряд, нежели их настоящий заряд. [...] Эффективный заряд — это заряд, измеряемый реально в любом опыте с низкой энергией. [...] Настоящее значение немного выше. [...] Мы также должны быть готовы к небольшим изменениям в формуле рассеяния Резерфорда, в формуле Клейна — Нишины, в выражении постоянной тонкой структуры Зоммерфельда и так далее».

В приведенном выше тексте Дирак вводит понятия, ставшие современным языком квантовых теорий поля. «Эффективный заряд» Дирака является тем, что сегодня называют физическим зарядом. «Настоящий заряд» соответствует голому заряду. А возмущения, производимые полем в море электронов с отрицательной энергией, представляют собой то, что известно в наши дни как процесс поляризации вакуума.

Единственной целью теоретической физики является расчет результатов, которые могут быть сопоставлены с результатами опытов. [...] Совершенно излишне искать удовлетворительное описание всего хода явлений.

Поль Дирак

Физик осуществил первый расчет изменения заряда, связанного с наличием моря Дирака. Снова появились расходящиеся интегралы. Дирак решил проблему с помощью разных математических приемов, позволивших ему избежать расходящихся интегралов. Его способ лег в основу того, что позднее, в конце 1940-х годов, будет названо методом перенормировки (он подробно объяснен в следующем разделе данной главы).

Эти техники дали возможность переформулировать теорию квантовой электродинамики, превратив ее в самую точную физическую теорию.

Новая теория Дирака была принята довольно сдержанно и вызвала резкую критику со стороны его коллег. Паули находил идеи Дирака «искусственными, математически слишком сложными и лишенными физического смысла». Обычно сдержанный Гейзенберг высказался еще резче, расценив теорию как абсурдную. Понятие поляризации вакуума, введенное Дираком, однако закрепилось, и очень скоро другие ученые начали изучать этот эффект.

Сообщество физиков было озадачено и в основном испытывало чувство неудовлетворения. Сам Дирак становился все более скептичным, и по сути его мнение не отличалось от мнения Гейзенберга и Паули. Он попытался решить проблему бесконечных величин, используя сложные и «искусственные» математические техники, вопреки «математической красоте физики» (а следование ей было самым дорогим ему принципом). В последующие годы разочарование Дирака достигло такой степени, что он пошел еще дальше своих коллег в критике квантовой электродинамики.

ПРОБЛЕМА БЕСКОНЕЧНЫХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕНОРМИРОВКА

Проблема результатов с бесконечными пределами и расходящихся интегралов уже появлялась в XIX веке в связи с электромагнитной теорией Максвелла. Электрически заряженная частица порождает вокруг себя поле, которое в свою очередь производит электромагнитную энергию, меняющую массу частицы («собственная энергия»). Эта энергия обратно пропорциональна расстоянию между положением заряженной частицы и положением, в котором вычисляется энергия поля. Трудность заключается в следующем: какую энергию производит электромагнитное поле, образованное частицей в ее собственном положении? Логически расстояние равно нулю, что влечет за собой результат в виде бесконечной величины. С классической точки зрения проблема решена, так как частица имеет определенную структуру и конечное расширение, поскольку заряд распределен по ее поверхности. Поэтому энергия, произведенная полем, обратно пропорциональна радиусу, определяющему расширение частицы.

В квантовой физике не допускается представление об электроне с пространственным расширением; напротив, электрон является элементарной частицей, без внутренней структуры. Квантовое описание электрического поля, образованного электроном, задано через испускание или поглощение виртуальных фотонов, существование которых вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Этот процесс изображен на рисунке 1. Такие графики называются «диаграммами Фейнмана». В определенный момент электрон, представленный непрерывной линией, испускает фотон, который затем вновь поглощается самим электроном (траектория фотона соответствует волнистой линии). Расчет данного процесса (вычисление собственной энергии электрона) ведет к появлению расходящихся интегралов. Описанный процесс соответствует самому простому случаю, когда испускается и поглощается только один фотон. Но можно представить гораздо более сложные процессы, увеличивая количество вовлеченных виртуальных фотонов.

РИС. 1

РИС. 2

РИС. 3

Сочетание принципа неопределенности и принципа эквивалентности массы и энергии является главным для понимания квантового вакуума. В квантовом вакууме непрерывно происходят квантовые колебания, которые могут привести к рождению виртуальных пар частица/античастица. Введенное Дираком понятие поляризации вакуума напрямую связано с этими виртуальными парами. Рассмотрим электрон, непрерывно испускающий и поглощающий виртуальные фотоны, которые в свою очередь могут приводить к рождению виртуальных пар электрон/позитрон. Позитроны стремятся приблизиться к физическому электрону, тогда как виртуальные электроны стремятся удалиться от них (см. рисунок 2).