Антиматерияның бар екенін алғаш айтқан кім?

Физика ашылуларға толы, олардың көбісі экспериментшілер оларды растау мүмкіндігіне ие болғанға дейін әлдеқайда бұрын математикалық абстракция ретінде басталды. Салыстырмалылық теориясы, кварктар, гравитациялық толқындар – олардың барлығы алдымен теңдеулер түрінде өмір сүріп, кейін ғана физикалық шындық мәртебесін алды. Антивещество тарихы, мүмкін, мұндай болжамның ең таңғажайып мысалы болып табылады – жас британ физигі мұндай қорытынды жасау үшін ешқандай тәжірибелік негізі болмаса да, «айналық» бөлшектердің бар екенін математикалық формуладан шығарды. Бұл ашылу Әлемнің құрылымы туралы түсінікті төңкеріп, қазіргі ғылымның ең терең шешілмеген сұрақтарының бірін тудырды. Антивеществоны болжау тарихын түсіну – ХХ ғасыр теоретикалық физикасының ең таңғажайып триумфтарының бірін бақылау деген сөз.

Пол Дирак және физиканы өзгерткен теңдеу

Антивеществоны болжау тарихындағы басты кейіпкер британ физигі Пол Адриен Морис Дирак – кванттық механиканың негізін қалаушылардың бірі және әріптестері өз заманының көрнекті физиктері арасындағы «ең таңғажайып» деп атаған адам.

1928 жылы, бар-жоғы 26 жасында, Дирак электронның мінез-құлқын сипаттау үшін релятивистік теңдеуді ұсынған жұмысын жариялады. Оған дейін бөлшектердің кванттық сипаттамасы үшін Шрёдингер теңдеуі болған, дегенмен ол арнайы салыстырмалылық теориясының талаптарын ескермеді. Кванттық механика мен релятивистік физиканы біріктіруге ұмтылыс Диракті өзі алғашында таңданыспен қабылдаған нәтижеге әкелді.

Оның есімімен аталатын теңдеудің бірнеше іргелі ерекшеліктері болды:

• ол электронның спинін – бұрын физикаға арнайы постулат ретінде «қолмен» енгізілген кванттық қасиетті – табиғи түрде болжады;
• ол сутектің спектріндегі байқалатын сызықтардың жіктелуін түсіндіре отырып, спектрдің жіңішке құрылымын дұрыс сипаттады;
• ол электронның әрбір күйі үшін екі шешім берді – оң және теріс энергиямен;
• дәл осы екінші түрдегі шешімдер ХХ ғасыр физикасы тарихындағы ең ұлы болжамның көзі болды.

Математика теріс энергиялы шешімдерді жай ғана алып тастауға мүмкіндік бермеді – олар теңдеудің құрылымының өзінен туындады және кәдімгілер сияқты заңды болды.

Теріс энергиялар мәселесі – ашылуға жол

Теріс энергиялы Дирак теңдеуінің шешімдері күрделі тұжырымдамалық мәселе тудырды. Егер электрондар шексіз үлкен теріс энергияға ие бола алса, олар неге шексіз энергия бөле отырып, осы күйлерге шексіз құламайды?

Бұл қиындықты шешу үшін Дирак физика тарихына «Дирак теңізі» ретінде енген батыл гипотезаны ұсынды. Осы модельге сәйкес, теріс энергиялы барлық күйлер уже электрондармен толтырылған – ал Паули принципі екі бірдей бөлшектің бір күйді алуын тыйым салады. Сондықтан кәдімгі электрондар төмен «құлай» алмайды – барлық орындар уже бос емес.

Осы модельден күтпеген салдар туындады. Егер теріс күйлер «теңізінде» «тесік» пайда болса – толтырылмаған орын, – ол оң заряды бар бөлшек сияқты әрекет етуі керек. Дәл осы жерде антиматерияның алғашқы жанама болжамы пайда болды.

Дирактің бастапқы түсіндірмесі сақ болды – ол бұл «тесік» протонға сәйкес келеді деп болжады. Мұндай идея протон уже белгілі болғандықтан, жаңа бөлшекті енгізуден аулақ болуға мүмкіндік берді. Дегенмен есептеулер «тесіктің» массасы электронның массасымен сәйкес келуі керектігін көрсетті, ал протон 1836 есе ауырырақ еді.

«Тесіктен» позитронға дейін – болжамды тұжырымдау

1931 жылы Дирак түбегейлі қадам жасап, электронмен бірдей массаға ие, бірақ қарама-қарсы заряды бар жаңа бөлшектің – антиэлектронның бар екенін тікелей болжады. Бұл тәжірибелік растауы мүлдем жоқ объектінің бар екенін болжау – физикалық батылдықтың бұрын-соңды болмаған әрекеті еді.

Болжамның логикасы кезең-кезеңімен дамыды.

1. Дирак теңдеуі заряд таңбасына қатысты математикалық тұрғыдан симметриялы – бұл әрбір бөлшек үшін қарама-қарсы заряды бар «айналық» шешімнің бар екенін білдіреді. Мұндай математикалық симметрия кездейсоқтық емес еді – ол кейіннен CPT-симметриясы деп аталған табиғаттың терең физикалық қасиетін бейнеледі. Дәл осы симметрия антивеществоны кәдімгі материя сияқты «заңды» етеді.
2. «Дирак теңізіндегі» «тесіктің» массасы сөзсіз электронның массасымен сәйкес келуі керек. Дирак бұл талапты қабылдап, одан тікелей салдар жасады – антиэлектрон өзінің кәдімгі аналогы сияқты жеңіл болуы тиіс. Бұл жаңа болжанатын бөлшектің сол кезде белгілі оң зарядты объектілерден – протондардан – түбегейлі ерекшеленетінін білдірді.
3. Электрон мен антиэлектрон кездескенде екеуі де аннигиляциялануы керек – барлық массаны энергия түрінде алып кететін фотондарға айналуы керек. Дирак электрон-позитрон жұбының аннигиляциясы кезіндегі фотондар энергиясы шамамен 511 килоэлектронвольт құрауы керек деп есептеді – бұл электронның тыныштық энергиясы. Бұл нақты сандық болжам кейіннен тәжірибе жүзінде керемет түрде расталды.

Дирактің болжамы көптеген физикалық гипотезалардан жаңа бөлшектің бар екенінің фактісін ғана емес, сонымен қатар оның нақты сипаттамаларын да көрсеткенімен ерекшеленді – ол толыққанды болды.

Карл Андерсон және тәжірибелік растау

Теоретикалық болжам расталуын салыстырмалы түрде ұзақ күттірмеді – бар-жоғы бір жыл. 1932 жылы Калифорния технологиялық институтында жұмыс істейтін америкалық физик Карл Андерсон Вильсон камерасында ғарыштық сәулелердің іздерін зерттеді.

Көптеген суреттердің арасында ол электрон қалай әрекет етуі керек болса, дәл солай әрекет ететін, бірақ магнит өрісімен қарама-қарсы жаққа ауытқыған ізді тапты. Бұл тек бір нәрсені білдірді – бөлшектің заряды электрон зарядына қарама-қарсы болды, массасы бірдей болды.

Андерсон өз табысын «позитрон» деп атады – «позитивті электрон» сөзінен. Жаңа бөлшектің сипаттамалары Дирак болжағандармен толық сәйкес келді:

• позитронның массасы сол кездегі өлшеу қателіктеріне дейін электронның массасына тең болып шықты;
• заряды шамасы бойынша электрон зарядымен сәйкес келді, бірақ таңбасы қарама-қарсы болды;
• электронмен кездескенде позитрон аннигиляцияланып, әрқайсысы шамамен 511 килоэлектронвольт энергиясы бар екі гамма-квант тудырды;
• магнит өрісіндегі мінез-құлқы теоретикалық есептеулерге толық сәйкес келді.

Бұл ашылу теоретикалық физиканың ең сенімді триумфтарының бірі болды – математика шындықты ешкім оны бақыламас бұрын дәл сипаттады. 1936 жылы Андерсон позитронды ашқаны үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды, ал 1933 жылы ұқсас марапат Диракке – Эрвин Шрёдингермен бірге – табыс етілді.

Ізашарлар және параллель идеялар

Әділдік үшін Дирактің антивещество идеясы бағытында жылжыған жалғыз адам емес екенін атап өту керек – дегенмен дәл оның тәсілі ең қатаң және конструктивті болды.

Диракке дейін және онымен параллель бірқатар ойшылдар сол бағытта жанама түрде нұсқайтын идеяларды айтқан:

• Артур Шустер әлі 1898 жылы Nature журналына жазған әзіл хатында қарама-қарсы гравитациялық қасиеттері бар «антивещество» – материяның бар болуы мүмкіндігі туралы жазды, дегенмен бұл идеяны дамыту үшін математикалық аппараты болған жоқ;
• Герман Вейль 1929 жылы кванттық механиканың математикалық симметриялы теңдеулерін қарастырып, «айналық» бөлшектер мүмкіндігін талқылады, дегенмен оның талдауы нақты болжамға әкелген жоқ;
• Вольфганг Паули мен Вернер Гейзенберг де релятивистік теңдеулермен жұмыс істеп, теріс энергиялар мәселесіне тап болды, дегенмен Дирак жасаған сол шешуші қадамды жасауға батылы бармады.

Математиканы шынымен қабылдауға деген шешімділік – тіпті ол бұрын-соңды болмаған нәрсені көрсетсе де – Дирактің тәсілін сақтарырақ әріптестерінен ерекшелендірді.

Ашылудың маңызы және одан әрі дамуы

Позитронды ашу және жалпы антивещество түсінігі табиғаттың іргелі құрылымын түсінуде жаңа дәуір ашты. Бұл қадамның салдарын асыра бағалау мүмкін емес.

Антиматерия физикасы позитрон ашылғаннан кейінгі онжылдықтарда қарқынды дамыды.

1. 1955 жылы Берклиде антипротон ашылды – массасы протонға тең, бірақ заряды теріс бөлшек. Оның ашылуы антиматерияның жеңіл бөлшектермен шектелмейтінін және табиғаттың әмбебап принципі екенін растады. Осы ашылуы үшін Оуэн Чемберлен мен Эмилио Сегре 1959 жылғы Нобель сыйлығын алды.
2. 1995 жылы ЦЕРНде алғашқы антиводород ядросы жасалды – антипротон мен позитроннан тұратын атом. Бұл тарихтағы алғашқы жасанды түрде жасалған антиматерия атомы болды. Кейіннен физиктер антиводородты магниттік тұзақтарда ұстап, оның спектрлік сипаттамаларын зерттеуді үйренді.
3. Антивещество ашылуынан туындаған басты жұмбақ бүгінгі күнге дейін шешілмеген күйінде қала береді – неге Әлем негізінен заттан тұрады, антивеществодан емес. Егер Үлкен жарылыс екі түрлі материяның тең мөлшерін тудырса, олар аннигиляцияланып, артында тек фотондарды қалдыруы керек еді. Бөлшектер мен антибөлшектер арасындағы симметрияның елеусіз бұзылуы – CP-бұзылу деп аталатын құбылыс – бұл дисбалансты тек ішінара түсіндіреді.
4. Позитронды-эмиссиялық томография – ПЭТ – ісіктер мен неврологиялық ауруларды диагностикалау үшін позитрондарды пайдаланатын медициналық технология болып табылады. Радиоактивті маркер ағзаға енгізіліп, позитрондар шығара отырып ыдырайды, олар тіндердегі электрондармен аннигиляцияланып, гамма-кванттар тудырады. Бұл кванттарды тіркеу мүшелердің метаболизмдік белсенділігінің үш өлшемді кескінін жоғары дәлдікпен құруға мүмкіндік береді.

Антивеществоны болжау тарихы математикалық қатаңдық пен зияткерлік батылдықтың таным шекараларын кеңейте алатынының ең айқын мысалдарының бірі болып табылады. Дирак антиэлектронды іздеген жоқ – ол белгілі бөлшекті сипаттайтын теңдеуді іздеді, және ол оған белгісіздің бар екенін өзі көрсетті. Математикаға сену туралы бұл сабақ теңдеулер қайта-қайта эксперимент жүзінде әлі табылмаған объектілерді – қараңғы материяны, суперсимметриялы бөлшектерді, кеңістіктің қосымша өлшемдерін – көрсететін қазіргі заманғы теоретикалық физика үшін өзекті болып қала береді.