Як Поль Дірак зміг поєднати квантову механіку зі спеціальною теорією відносності Ейнштейна, і як із цього народилася ідея антиматерії. Це одна з найкрасивіших історій в історії науки, яка показує, що іноді математика відкриває закони природи раніше, ніж їх підтверджує експеримент.
На початку XX століття фізики зіткнулися з великою проблемою. Існували дві блискучі теорії, кожна з яких чудово пояснювала свою частину природи. Квантова механіка описувала світ атомів і електронів, а спеціальна теорія відносності Ейнштейна — рух тіл зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Але коли електрон починав рухатися майже зі швидкістю світла, ці дві теорії вже не могли повністю працювати разом. Потрібна була нова теорія, яка змогла б об’єднати їх в єдине ціле.
Поль Дірак і його математичне рівняння
Саме над цією задачею почав працювати молодий англійський фізик Поль Дірак. Він був людиною надзвичайно мовчазною й навіть дещо загадковою. Колеги жартували, що за цілий день Дірак міг вимовити лише кілька слів, але якщо вже щось казав, то майже завжди мав рацію. Найбільше він любив не експерименти, а красиві математичні рівняння. Він був переконаний, що математична краса здатна підказати закони природи краще, ніж людська інтуїція.
У 1928 році після довгих пошуків йому вдалося створити саме таке рівняння. Воно вперше об’єднало квантову механіку зі спеціальною теорією відносності й точно описувало поведінку електрона навіть тоді, коли той рухався майже зі швидкістю світла. Для фізиків це стало справжнім проривом. Здавалося, проблему нарешті розв’язано.
Але найцікавіше лише починалося.
Другий розв’язок рівняння Дірака
Коли Дірак уважніше дослідив своє рівняння, він помітив дивну річ. Воно мало не одну, а дві однаково правильні розв’язки. Перша чудово описувала звичайний електрон. А ось друга стала справжньою несподіванкою. З неї випливало, що має існувати ще одна частинка з такою самою масою і таким самим спіном, але з протилежним електричним зарядом.
Уявіть собі здивування Дірака. Замість одного електрона рівняння вперто «створювало» ще одну невідому частинку. І щоразу, коли він перевіряв свої обчислення, відповідь залишалася тією самою.
Спочатку Поль Дірак вирішив, що десь припустився помилки. Потім спробував пояснити другий розв’язок протоном. Але ця ідея швидко відпала. Протон майже у дві тисячі разів важчий за електрон, тоді як рівняння вимагало абсолютно однакової маси.
Перед Діраком постало непросте запитання. Якщо рівняння правильне, тоді у Всесвіті повинна існувати невідома частинка. Якщо ж такої частинки немає — значить, помиляється саме рівняння.
Для більшості фізиків відповідь була очевидною. Швидше за все, помилилася математика. Адже як можна серйозно говорити про частинку, якої ще ніхто ніколи не спостерігав?
Але Поль Дірак мислив інакше.
Поль Дірак і позитрон
Він довірився своєму рівнянню. Якщо воно правильно описує електрон, то повинно бути правильним і в другому розв’язку. А це означало, що в природі справді існує частинка, майже повністю схожа на електрон, але з позитивним електричним зарядом.
Так уперше народилася ідея, що майже кожна елементарна частинка може мати свого «дзеркального близнюка». Саме з цього сміливого припущення почалася історія антиматерії.
Науковий світ поставився до цієї ідеї дуже обережно. Це був безпрецедентний випадок. Уперше в історії нову елементарну частинку не відкрили в лабораторії — її існування передбачило математичне рівняння. Багато фізиків були переконані, що рано чи пізно знайдеться помилка, і загадковий другий розв’язок просто зникне. Здавалося неймовірним, що математика може знати про природу більше, ніж експеримент.
Та відповідь уже летіла до Землі разом із космічними променями.
Дослід Карла Андерсона
Минуло лише кілька років, і молодий американський фізик Карл Андерсон, досліджуючи їх за допомогою камери Вільсона, випадково помітив дивний слід невідомої частинки. Те, що він відкриє, змусить фізиків повірити: рівняння Дірака не помилилося. Воно справді передбачило існування нової частинки ще до того, як її побачила людина.