Искусственное Солнце - [57]
А второй знак— минус? Откуда он взялся?
Тут положение сложное.
Отрицательная энергия для физических тел, казалось бы, невозможна. Наделенная ею частица вела бы себя крайне нелепо: она обладала бы отрицательной массой. Ведь квадрат скорости—всегда положительная величина.
Эта необыкновенная частица с отрицательной массой являла бы собой немыслимый рекорд упрямства. После толчка вперед она двигалась бы... назад! Знаменитый ньютоновский закон о пропорциональности силы и ускорения приобрел бы для нее обратный смысл.
Выстрел из лука стрелой, наделенной отрицательной энергией, был бы равносилен самоубийству: стрела вонзилась бы в стрелка.
Впрочем, реальность тел с отрицательной энергией вызывает сомнение не только потому, что трудно постичь парадоксы их поведения. Недоумение усугубляется здесь еще более важными соображениями.
Вот летит электрон. Замедлим его полет — энергия движения снизится. Остановим частицу — энергия движения исчезнет, но останется запас энергии, связанный с массой покоя. По Эйнштейну, этот запас, как вы помните, равен т>ос>2 ,что для электрона составляет значительную величину — 508 тысяч электроновольт.
Можно ли дальше уменьшать энергию электрона? Можно, но очень незначительно. Поместив неподвижную частицу в сильное электрическое поле положительного заряда, мы заставим электрон отдать малую долю энергии на связь с полем. Масса электрона и запас в нем энергии станут чуть-чуть меньше. Но на этом наши возможности как будто исчерпываются. Ни классическая физика, ни теория относительности не позволяют довести энергию электрона до «настоящего» эйнштейновского нуля и тем более до значений еще меньших, чем нуль. Никаких способов перехода в парадоксальную область отрицательных энергий они не знают,
Значит ли это, что подобный переход вообще невозможен?
Дирак твердо верил в правильность теории относительности. Он не допускал и тени недоверия к математическому аппарату, который привел к таким парадоксальным заключениям. Почему же тогда и :классика и та же теория относительности категорически запретили переход через нуль энергии? Почему они закрыли этот путь непроходимой стеной? Ведь из наложенного запрета следовало, что отрицательные энергии хоть и мыслимы теоретически, но на практике недостижимы.
И ученый доказал, что подобный вывод ошибочен: представление о непроходимости запретной зоны составилось без учета квантовомеханических особенностей микропроцессов.
Как вы помните, квантовая механика — мастерица преодолевать непреодолимое. И, войдя составной частью в теорию Дирака, она сделала возможным то, что без нее выглядело недопустимым.
Чтобы лучше пояснить это, привлечем на помощь несложный чертеж и — да простит нам терпеливый читатель! — поведем разговор в чуть-чуть более серьезном тоне.
В чем сущность «непреодолимости» этой «стены»? В том, что классическая и релятивистская теории требуют ее непрерывного прохождения. Вся стена должна быть преодолена точка за точкой насквозь, без всяких скачков, ибо специфика этих теорий приписывает природным процессам строгую непрерывность, нетерпимость к скачкообразным переменам состояния объектов. Именно поэтому классическая частица, пытающаяся проникнуть через запретную полосу к отрицательным энергиям, обязана сначала остановиться, а затем уменьшать свою энергию с помощью каких-то неправдоподобно могучих силовых полей. Но столь сильных полей в природе нет. Следовательно, у классических тел нет возможности непрерывно снижать свою энергию даже до нуля, не говоря уже о дальнейшем переходе в отрицательную область.
Иное дело в квантовой механике. На смену непрерывности она ставит прерывистость изменения состояния частиц. Через «непреодолимую» стену открывается возможность как бы перескочить «на ходу», без остановки, минуя запретные промежуточные состояния, где частица должна была бы находиться в поле несуществующих сверхъестественно огромных сил. Характер такого «перескока» чем-то напоминает квантовые «чудеса» «лыжников-кудесников», которые, как вы помните из главы «Право сиять», прекрасно «просачивались через горы».
Итак, в стене между положительными и отрицательными энергиями квантовая механика прорубила широкие ворота.
Читателю, вероятно, памятна важнейшая физическая причина, вызывающая к жизни природные процессы: стремление систем тел к устойчивости, к состояниям с наименьшей потенциальной энергией. В конечном итоге именно из-за этого возгораются звезды, светит Солнце, падает на Землю камень. Но если в классической физике нижний предел энергии представлялся нулем, то в теории Дирака он опустился в бездонную пропасть отрицательных величин. А раз так, то получалась нелепость: стремясь к устойчивости и опускаясь поэтому сколь угодно далеко вниз по энергетической диаграмме (через «люк», проделанный квантовой механикой), электрон обретал способность выделять бесконечно большое количество энергии, неведомо откуда взявшейся. Да и вообще при разрешенных отрицательных энергетических состояниях электрон не смог бы пребывать в состояниях с положительной энергией. Стремление к устойчивости заставило бы его, по квантовым законам, «упасть» вниз — в отрицательную область.
