Они изучали теорию относительности . Ибо когда кто - то включает в себя результаты Эйнштейна

в квантовой вселенной пустое пространство становится
гораздо более странным, чем было раньше. Настолько странно, что даже физики
, впервые обнаружившие и проанализировавшие это новое поведение, с трудом
верили, что оно действительно существует в реальном мире.

Первым человеком, успешно включившим теорию относительности в квантовую
механику, был блестящий, лаконичный британский физик - теоретик Поль Дирак,
который сам уже сыграл ведущую роль в развитии квантовой
механики как теории.

Квантовая механика развивалась с 1912 по 1927 год, главным
образом благодаря работам блестящего и знакового датского физика Нильса Бора,
блестящего молодого австрийского физика Эрвина Шредингера и
немецкого физика Вернера Гейзенберга. Квантовый мир, впервые предложенный
Бором и математически уточненный Шредингером и Гейзенбергом, бросает вызов всем
понятиям здравого смысла, основанным на нашем опыте работы с объектами человеческого
масштаба. Бор впервые предположил, что электроны в атомах вращаются вокруг центральной
ядра, как и планеты вокруг Солнца, но показал, что наблюдаемые
правила атомных спектров (частоты света, испускаемого различными
элементами) могут быть поняты только в том случае, если электроны каким
- то образом ограничены стабильными орбитами в фиксированном наборе “ квантовых уровней ” и
не могут свободно вращаться по спирали к ядру. Они могли перемещаться между уровнями,
поглощая или испуская только дискретные частоты или кванты света — те
самые кванты, которые Макс Планк впервые предложил в 1905 году в качестве способа
понимание форм излучения, испускаемого горячими объектами.

Однако “ правила квантования ” Бора были довольно специфическими. В 1920- х годах
Шредингер и Гейзенберг независимо друг от друга показали, что
можно вывести эти правила из первых принципов, если электроны подчиняются правилам
динамики, отличным от тех, которые применяются к макроскопическим объектам
, таким как бейсбольные мячи. Электроны могли вести себя как волны, так и частицы,
казалось бы, распространяясь по пространству (отсюда и “ волновая функция ” Шредингера
для электронов), и результаты измерений свойств электронов
Было показано, что они дают только вероятностные определения, причем различные
комбинации различных свойств не являются точно измеримыми
одновременно (отсюда “ Принцип неопределенности ” Гейзенберга).

Дирак показал, что математика, предложенная Гейзенбергом для
описания квантовых систем (за которую Гейзенберг получил Нобелевскую премию 1932
года), может быть выведена путем тщательной аналогии с хорошо известными законами
, управляющими динамикой классических макроскопических объектов. Кроме того, он

Позже он также смог показать, что математическая “ волновая механика ”
Шредингера также может быть получена таким образом и формально эквивалентна
формулировке Гейзенберга. Но Дирак также знал, что квантовая механика
Бора, Гейзенберга и Шредингера, какой бы замечательной она ни была, применима только
к системам, где законы Ньютона, а не теория относительности Эйнштейна, были бы
подходящими законами, управляющими классическими системами, с которыми квантовые
системы были построены по аналогии.

Дираку нравилось мыслить в терминах математики, а не картин, и когда
он обратил свое внимание на попытки привести квантовую механику в соответствие с
законами относительности Эйнштейна, он начал играть со многими различными видами
уравнений. Они включали сложные многокомпонентные математические
системы, которые были необходимы для того, чтобы учесть тот факт, что электроны имеют
“ спин ”— то есть они вращаются как маленькие вершины и имеют угловой
момент, а также могут вращаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки
вокруг любой оси.

В 1929 году он попал в грязь. Уравнение Шредингера прекрасно и
точно описывало поведение электронов, движущихся со скоростью, намного
меньшей скорости света. Дирак обнаружил, что если он изменил Шредингера уравнение
в более сложное уравнение с помощью объектов, называемых матрицами — что
на самом деле означает, что его уравнение на самом деле описанный набор из четырех
уравнений — он мог последовательно объединить квантовую механику с
теорией относительности, и, следовательно, в принципе описывают поведение систем, в которых
электроны двигаются на гораздо более высоких скоростях.

Однако возникла проблема. Дирак записал уравнение
, предназначенное для описания поведения электронов при взаимодействии с электрическими
и магнитными полями. Но его уравнение, по - видимому, также требовало существования
новых частиц, таких же, как электроны, но с противоположным электрическим зарядом.

В то время в природе была известна только одна элементарная частица с
зарядом, противоположным заряду электрона, — протон. Но протоны совсем не
похожи на электроны. Начнем с того, что они в 2000 раз тяжелее!

Дирак был сбит с толку. В отчаянии он утверждал, что новые
частицы на самом деле были протонами, но каким - то образом при движении в
пространстве взаимодействия протонов заставили бы их действовать так, как если бы они были
тяжелее. Другим, в том числе Гейзенбергу, не потребовалось много времени, чтобы показать, что
это предположение не имеет смысла.

Природа быстро пришла на помощь. В течение двух лет после того, как Дирак
предложил свое уравнение, и через год после того, как он капитулировал и принял это,

если его работа была верна, то новая частица должна существовать, экспериментаторы
, изучая космические лучи, бомбардирующие Землю, обнаружили доказательства существования новых
частиц, идентичных электронам, но с противоположным электрическим зарядом, которые
были названы позитронами.

Дирак был оправдан, но он также признал свою прежнюю
неуверенность в своей собственной теории, позже заявив, что его уравнение было умнее
, чем он был!

Теперь мы называем позитрон “ античастицей ” электрона, потому что
оказывается, что открытие Дирака было повсеместным. Та же самая физика, которая
требовала наличия античастицы для существования электрона, требует, чтобы одна такая частица
существовала почти для каждой элементарной частицы в природе.
Например, у протонов есть антипротоны. Даже некоторые нейтральные частицы, такие как нейтроны, имеют
античастицы. Когда частицы и античастицы встречаются, они аннигилируют в
чистое излучение.

Хотя все это может звучать как научная фантастика (и действительно, антиматерия играет
важную роль в " Звездном пути "), мы постоянно создаем античастицы на наших
больших ускорителях частиц по всему миру. Поскольку в остальном античастицы
обладают теми же свойствами, что и частицы, мир из антиматерии будет
вести себя так же, как мир материи, с антиловерами, сидящими в антикарах
и занимающимися любовью под антилунной. Это просто случайность наших
обстоятельств, вызванная, как мы думаем, гораздо более глубокими факторами, к которым мы придем
позже, что мы живем во вселенной, которая состоит из материи, а не из антиматерии
или из одного с равным количеством обоих. Мне нравится говорить, что, хотя антиматерия может
показаться странной, она странна в том смысле, что бельгийцы странны. Они
не такие уж странные, просто их редко встретишь.

Существование античастиц делает наблюдаемый мир гораздо более
интересным местом, но это также делает пустое пространство гораздо более
сложным.

Легендарный физик Ричард Фейнман был первым человеком, который дал
интуитивное понимание того, почему теория относительности требует существования
античастиц, что также дало наглядную демонстрацию того, что пустое пространство
не так уж и пусто.

Фейнман признал, что теория относительности говорит нам, что наблюдатели, движущиеся с
разной скоростью, будут производить различные измерения таких величин, как
расстояние и время. Например, время будет казаться замедленным для объектов
, движущихся очень быстро. Если каким - то образом объекты могли двигаться быстрее света, они

казалось бы, назад во времени, что является одной из причин того, что
скорость света обычно считается космическим пределом скорости.

Однако ключевым принципом квантовой механики
является Принцип неопределенности Гейзенберга, который, как я уже упоминал, утверждает, что
для некоторых пар величин, таких как положение и
скорость, невозможно одновременно определить точные значения для данной системы. Кроме того, если
вы измеряете данную систему только для фиксированного конечного интервала времени, вы
не можете точно определить ее полную энергию.

Все это означает, что в течение очень короткого времени, такого короткого, что вы не можете
измерить их скорость с высокой точностью, квантовая механика допускает
возможность того, что эти частицы действуют так, как будто они движутся быстрее света!
Но если они движутся быстрее света, Эйнштейн говорит нам, что они должны
вести себя так, как будто они движутся назад во времени!

Фейнман был достаточно храбр, чтобы серьезно отнестись к этой, казалось бы, безумной возможности
и исследовать ее последствия. Он нарисовал следующую диаграмму для
движущегося электрона, периодически ускоряющегося в середине своего
путешествия до скорости, превышающей скорость света.

Он признал, что теория относительности говорит нам, что другой наблюдатель может
альтернативно измерить что - то, что будет выглядеть так, как показано ниже, когда
электрон движется вперед во времени, затем назад во времени, а затем
снова вперед.

Однако отрицательный заряд, движущийся назад во времени, математически
эквивалентен положительному заряду, движущемуся вперед во времени! Таким образом, теория относительности
требует существования положительно заряженных частиц с той же
массой и другими свойствами, что и электроны.

В этом случае второй рисунок Фейнмана можно истолковать следующим образом:
единичный электрон движется вперед, а затем в другой точке пространства
из ничего создается позитронно - электронная пара, после чего позитрон встречается
с первым электроном и оба аннигилируют. После этого остается только один
электрон, движущийся вперед.

Если это вас не беспокоит, то подумайте о следующем: в течение некоторого времени,
даже если вы начинаете с одной частицы и заканчиваете одной
частицей, в течение короткого времени вокруг вас движутся три частицы:

В короткий средний период, по крайней мере на некоторое время,
что - то возникло из ничего! Фейнман прекрасно описывает этот очевидный
парадокс в своей статье 1949 года “ Теория позитронов " с восхитительной
аналогией военного времени:

Это похоже на то, как если бы бомбардир, наблюдающий в
бомбовый прицел низко летящего самолета за одной дорогой, вдруг увидел три дороги, и
только когда две из них сходятся и снова исчезают, он
осознает, что просто прошел длинный поворот на одной
дороге.

До тех пор, пока этот период времени во время этого “ переключения ” настолько короток, что мы
не можем измерить все частицы непосредственно, квантовая механика и теория относительности
подразумевают, что эта странная ситуация не только разрешена, но и необходима.
Частицы, которые появляются и исчезают за время, слишком короткое для измерения
, называются виртуальными частицами.

Теперь изобретение совершенно нового набора частиц в пустом пространстве, которые вы
не можете измерить, звучит очень похоже на предложение большого количества ангелов, сидящих
на головке булавки. И это было бы столь же бессильной идеей, если бы эти
частицы не имели других измеримых эффектов. Однако, хотя они не
являются непосредственно наблюдаемыми, оказывается, что их косвенные эффекты производят большинство
характеристик Вселенной, которые мы испытываем сегодня. Не только это, но
и можно вычислить воздействие этих частиц более точно, чем любой другой
расчет в науке.

Рассмотрим, например, атом водорода — систему, которую Бор пытался
объяснить, развивая свою квантовую теорию, а Шредингер позднее попытался
описать, выведя свое знаменитое уравнение. Красота кванта

механика состояла в том, что она могла объяснить специфические цвета света, испускаемого
водородом при нагревании, утверждая, что электроны, вращающиеся вокруг
протона, могут существовать только в дискретных энергетических уровнях, и когда они прыгают
между уровнями, они поглощают или испускают только фиксированный набор частот
света. Уравнение Шредингера позволяет вычислить предсказанные
частоты, и он получает ответ почти точно.

Но не совсем.
Когда спектр водорода был изучен более тщательно, он был замечен

быть более сложным, чем предполагалось ранее, с некоторыми
дополнительными небольшими расщеплениями между наблюдаемыми уровнями, называемыми “ тонкой
структурой ” спектра. Хотя эти расщепления были известны еще со
времен Бора, и предполагалось, что, возможно, релятивистские эффекты имеют
к ним какое - то отношение, пока полностью релятивистская теория не была доступна,
никто не мог подтвердить это подозрение. К счастью, уравнение Дирака сумело
улучшить предсказания по сравнению с уравнением Шредингера.
воспроизводится общая структура наблюдений, в том числе тонкая
структура.

Пока все шло хорошо, но в апреле 1947 года американский экспериментатор Уиллис
Лэмб и его ученик Роберт Ретерфорд провели эксперимент, который
в противном случае мог бы показаться невероятно плохо мотивированным. Они поняли, что обладают
технологической способностью измерять энергетическую структуру уровня
атомов водорода с точностью 1 часть на 100 миллионов.

Зачем им беспокоиться? Что ж, всякий раз, когда экспериментаторы находят новый
метод измерения чего - то с гораздо большей точностью, чем это было
возможно раньше, это часто является достаточной мотивацией для них, чтобы идти вперед.
В этом процессе часто открываются целые новые миры, как, например, когда голландский
ученый Антони Филипс ван Левенгук в 1676 году впервые посмотрел в микроскоп на каплю,
казалось бы, пустой воды, и обнаружил, что она
изобилует жизнью. В этом случае, однако, у экспериментаторов было больше
немедленная мотивация. До времени эксперимента Лэмба
доступная экспериментальная точность не могла проверить предсказание Дирака в деталях.

Уравнение Дирака действительно предсказывало общую структуру новых
наблюдений, но ключевой вопрос, на который Лэмб хотел ответить, состоял
в том, предсказывает ли оно ее в деталях.
И когда Лэмб проверил эту теорию, она, казалось, дала неправильный ответ на
уровне примерно 100 частей на миллиард, что значительно превышало чувствительность его
аппарата.

Такое небольшое несогласие с экспериментом может показаться незначительным, но
предсказания простейшей интерпретации теории Дирака были
однозначны, как и эксперимент, и они отличались.

В течение следующих нескольких лет лучшие теоретические умы в физике бросились
в бой и попытались разрешить это несоответствие. Ответ пришел после
долгой работы, и когда пыль осела, стало ясно, что уравнение
Дирака на самом деле дает точно правильный ответ, но только если
учесть эффект виртуальных частиц. Образно это можно понять следующим
образом. Атомы водорода обычно изображаются в книгах по химии
примерно так, с протоном в центре и электроном, вращающимся
вокруг него, прыгающим между различными уровнями:

Однако, как только мы допускаем возможность того, что электрон - позитронные пары
могут спонтанно появиться из ничего на некоторое время, прежде чем снова аннигилировать друг
друга, за какое - то короткое время атом водорода действительно выглядит так:

Справа от рисунка я нарисовал такую пару, которая затем аннигилирует наверху
. Виртуальный электрон, будучи отрицательно заряженным, любит держаться
поближе к протону, в то время как позитрон любит держаться подальше. Во всяком
случае, из этой картины ясно, что действительное распределение заряда в
атоме водорода ни в какой момент не описывается просто одним электроном
и протоном.

Примечательно, что мы, физики, узнали (после всей тяжелой работы
Фейнмана и других), что мы можем использовать уравнение Дирака для вычисления со
сколь угодно высокой точностью влияния на спектр водорода всех
возможных виртуальных частиц, которые могут периодически существовать в его окрестности. И
когда мы это делаем, мы придумываем лучший, самый точный прогноз во всей
науке. Все другие научные предсказания бледнеют в сравнении. В астрономии
самые последние наблюдения космического микроволнового фонового излучения
позвольте нам сравнить с теоретическими предсказаниями на уровне, возможно, 1
части на 100 000, что примечательно. Однако, используя уравнение Дирака и
предсказанное существование виртуальных частиц, мы можем вычислить значения
атомных параметров и сравнить их с наблюдениями и получить
замечательное согласие на уровне около 1 части на миллиард или лучше!

Таким образом, виртуальные частицы существуют
, в то время как впечатляющая точность, доступная в атомной физике, трудно достижима.