917367312

H.R. Quinn - Asymetria między materią i antymaterią

ruchu opisującego cząstkę o spinie np. elektron. Miało ono jedną wielką zaletę: dawało poprawny moment magnetyczny elektronu. Jak powiedział Dirac w 1977 r., była to „miła niespodzianka, zupełna niespodzianka” [1 ]. Równanie to zawierało jednak tajemnicę, która najpierw przejawiła się jako istnienie stanów o ujemnej energii.

Takie stany są rzecz jasna niefizyczne. W najlepszym razie wskazują, że się źle określiło stan podstawowy teorii, w najgorszym zaś mówią, że teoria jest nieuleczalnie chora, gdyż nie ma stanu o najmniejszej energii. Dla elektronów ratunek stanowi reguła zakazu. Można znaleźć lepszy stan podstawowy, w którym wszystkie stany o ujemnej energii są obsadzone. Nawet wtedy równanie Diraca pozostaje jednak tajemnicze. Oprócz ujemnie naładowanych stanów elektronowych ma ono wzbudzenia, które należy interpretować jako cząstki naładowane dodatnio (dziury w morzu cząstek o ujemnej energii). Jaką interpretację fizyczną można przypisać takim obiektom?

W czasie, gdy pojawiło się równanie Diraca, znano tylko dwie podstawowe cząstki materii: elektron i proton. Model budowy jąder atomowych wraz z pojęciem neutronu dopiero powstawał; neutrony odkryto dopiero w 1932 r. Gdy ukazał się artykuł Diraca, fizycy nie pospieszyli z hipotezami istnienia nowych typów cząstek w celu wyjaśnienia nowych zjawisk, nie mówiąc już o interpretacjach dziwnego rozwiązania nowego równania. Wydawało się więc, że stanami o dodatnim ładunku muszą być protony. Ta interpretacja miała jedną oczywistą ułomność, a także drugą fatalną skazę, którą zauważono dopiero po dłuższym czasie.

Oczywisty problem polegał na tym, że równanie wymagało, by proton i elektron miały tę samą masę, bowiem wszystkie inne własności stanów o ładunku dodatnim i ujemnym były takie same. Dirac zdawał sobie sprawę z tej niezmienniczości, co jasno wynika z jego listu do Nielsa Bohra napisanego w 1929 r. „Dopóki się zaniedbuje oddziaływania”, pisał, „dopóty ma się całkowitą symetrię między elektronami i protonami. (...) Jeśli natomiast uwzględnić oddziaływanie między elektronami, ta symetria się psuje. Jeszcze nie rozpracowałem matematycznie konsekwencji tego oddziaływania. (...) Można jednak mieć nadzieję, że jego poprawna teoria umożliwi obliczenie stosunku mas elektronu i protonu”.

Mogę tylko zgadywać, co Dirac miał na myśli, pisząc „to oddziaływanie”. Może myślał o oddziaływaniach między cząstkami zapełniającymi morze stanów o ujemnej energii (chociaż teraz wiemy, że nie ma takich oddziaływań). Cokolwiek myślał, jego nadzieja, że symetria może być usunięta przez oddziaływania, była całkowicie nieuzasadniona.

Hermannowi Weylowi (fot. 2) było łatwiej zrozumieć konsekwencje dostrzeżonej symetrii. W listopadzie 1930 r. stwierdził, że „masa protonu powinna być taka sama, jak masa elektronu; ponadto (...) ta hipoteza prowadzi do zasadniczej równoważności elektryczności dodatniej i ujemnej we wszystkich okolicznościach. (...) Niepodobieństwo tych dwóch rodzajów elektryczności ukrywa więc prawdopodobnie jakiś sekret przyrody, który ma głębsze podłoże niż niepodobieństwo przeszłości i przyszłości. (...) [jest to] nowy kryzys fizyki kwrntowej”.

Fot. 2. Hermann Weyl (1885 1955). W roku 1930, mniej więcej w czasie, w którym zostało zrobione to zdjęcie, Weyl stwierdził, że z równania Diraca wynika ścisła symetria między elektrycznością dodatnią i ujemną. Ponieważ pozyton nie był wtedy jeszcze odkryty, symetria ta była dla Weyla „kryzysem”. (Dzięki uprzejmości AIP Emilio Segre Yisual Archives, Nina Courant Collection).

Kryzys się pogłębił, gdy Robert Oppenheimer i niezależnie Igor Tamm dostrzegli drugi problem. Zauważyli mianowicie, że równanie Diraca dopuszczało anihilację cząstka dziura. Spostrzeżenie to było śmiertelnym ciosem dla protonowej interpretacji dziur. Uwzględnienie oddziaływań zapewne mogłoby rozwiązać problem masy, ale nie mogło wyeliminować anihi-lacji, katastrofalnego procesu, który musiałby niszczyć wszelką możliwość istnienia trwałej materii. W maju 1931 r. Dirac zrobił więc coś, co później nazwał małym krokiem w przód. Oznajmił, że „dziura - gdyby istniała stanowiłaby zupełnie nowy rodzaj cząstki, nie znanej fizyce doświadczalnej i mającej tę samą masę, co elektron, lecz przeciwny ładunek”. Zastrzeżenie „gdyby istniała” jest interesujące: łiipoteza Istnienia nowego typu cząstki wydawała się chyba Diracowi stanowczo zbyt śmiałym pomysłem.

Zastrzeżenia Pauliego co do teorii dziur

Niewiele ponad rok później zaobserwowano cząstkę wynikającą z równania Diraca. Obserwacja pozytonu wywołała nowe pytanie: dlaczego świat jest pełen

226

POSTĘPY FIZYKI TOM 55 ZESZYT 5 ROK 2004