Введение
Гипотеза Дирака о генерации из физического вакуума протона и электрона должна была стать важнейшим событием в физике 20 века. Но этого не произошло. Почему? Вероятно, общество не было тогда готово к восприятию принципиально новых идей, возникает закономерный вопрос: - Готов ли оно сейчас? - и более важный вопрос: - Может ли наука вернуться на магистральный эволюционный путь или мы навсегда останемся в тумане Майи?
Представленная ниже реакция, по существу, является формальной записью первого варианта гипотезы Дирака с тем уточнением, что соответствует не разделению базиса на две равные по массе части, а смещению одного из разделенных базисных зарядов и образования «носителя» (электрона) и «дырки» (протона).
Несимметричная реакция Дирака
Среди стабильных частиц наблюдается следующая интересная зависимость: встречаются только некоторые комбинаций спин – заряд:
(-1/2, -1) комбинация разрешена.
(-1/2, +1) комбинация запрещена.
(1/2, 1) комбинация разрешена.
(1/2, -1) комбинация запрещена.
(0, -1) комбинация запрещена.
(0, +1) комбинация запрещена.
(-1/2, 0) комбинация разрешена.
(1/2, 0) комбинация разрешена.
Предположим, что 4 существующим комбинациям из 8 возможных вариантов, соответствуют 4 состояния базисного заряда. Других комбинаций в природе не существует, т.е. любая форма материи, в том числе частицы, может состоять только из этих четырех состояний базиса.
Запишем разрешенные комбинации в форме состояний базисного заряда:
АВ =ВА = ав= ва – это базис;
A (1/2,1) – положительный базисный заряд;
В (-1/2, -1) – отрицательный базисный заряд;
a (1/2,0); в (-1/2, 0) – нейтральный базисный заряд.
Других состояний базисного заряда не существует.
Гамильтониану Дирака удовлетворяют два типа частиц с противоположно направленным спином, энергия частиц первого типа положительна, второго – отрицательна. Можно представить некоторый гипотетический процесс потери энергии электроном и перехода на более низкий, отрицательный уровень. Дирак предположил, что этот феномен запрещен принципом Паули, нижние уровни уже заполнены парой частиц, имеющих противоположное значение спина и электрического заряда [1]. Действительно, в 1932 году К. Андерсоном был открыт «антиэлектрон» - позитрон. Описание вакуума как пар частиц, заполняющих уровни отрицательной энергии, было названо «дырочной» теорией Дирака, а предсказание существования позитрона сегодня считается крупнейшим достижением квантовой физики.
Однако первый, основательно забытый, вариант гипотезы Дирака, имел принципиальное отличие. Предполагалось существование не симметричной, относительно массы, реакции, дающей в итоге электрон и протон. Против этой гипотезы резко выступили Герман Вейль, Игорь Тамм, Роберт Оппенгеймер и др. После критики, гипотеза была переписана в современном виде. Обычно на этом месте ставят точку, но повторный анализ позволяет обнаружить некоторую неточность в позиции оппонентов. Оказывается, что существует, по крайней мере, одна возможность для реакции, действительно, дающей в результате частицы различной массы.
Запись общепринятого варианта гипотезы Дирака (в трактовке Вейля) будет иметь вид:
AB = A + B=e(+)+e-, .............................................................................. (1)
При этом априори предполагается, что «море» Дирака будет вести себя как некоторая жидкая или газообразная среда. Но в некоторых веществах реакция идет именно по схеме Дирака, а не Вейля. Считать физический вакуум жидкостью или газом не больше оснований, чем твердым телом. В полупроводниках, например, образуются подвижные «носители» заряда и менее подвижные «дырки».
Несимметричная (относительно массы) реакция Дирака должна протекать между двумя группами AB и сопровождаться генерацией 2 частиц (протона и электрона) при смещении B и генерацией 2 античастиц (антипротона и позитрона) при смещении заряда А.
AB + AB = A → B → AB = A + B(ab) = p + e;.......................................... (2)
AB + AB = B → A → AB = B + A(ab) = p(-)+e(+).
Массивные «дырки» A и B имеют равную массу, отличаются знаком электрического заряда и спина, что позволяет ассоциировать их с протоном и антипротоном. Подвижным «носителям» B(ab) и A(ab) соответствуют электрон и позитрон. Процесс генерация пары позитрон – электрон является частным случаем общей реакции переноса заряда и значительно отличается от схемы Вейля:
Необходимо особо подчеркнуть, что реакции (2) являются не более чем формальной записью первой гипотезы Дирака и не содержат никаких дополнительных условий и предположений.
В развитие этой гипотезы, в таблице 1 представлены гипотетические зарядовые комбинации всех стабильных частиц [2,3].
Таблица 1
Частица______элект___позит__фотон__протон__антипрот__нейтрино
Обоз____________e________e+_______γ__________p_________p-__________η
Комбинация___В(ав)__ A(ab)__ aa, bb______A_________B__________b, a
Спин___________ -1/2_____+1/2____ ±1______+1/2______-1/2_______±1/2
Эл. заряд_________-1_______+1______ 0________+1________ -1__________0
Интересно, что из первой гипотезы Дирака следует существование не одной частицы – позитрона, а двух – позитрона и антипротона, открытого значительно позже позитрона [4]. В свое время это прямое следствие, к сожалению, было пропущено.
При попытке «встроить» гипотезу Дирака в существующую систему знаний возникает ряд неожиданных связей. Эти связи не противоречат существующим экспериментальным данным и дают новый, зачастую неожиданный, подход к описанию, на первый взгляд, хорошо известных процессов. Одно из направлений исследования связано с анализом реакций распада элементарных частиц.
Число и тип частиц, генерированных в реакциях распада, ограничены законами сохранения. Например, из закона сохранения электрического заряда следует запрет на генерацию одиночного электрического заряда. Полный электрический заряд частиц до реакции (в левой части) всегда равен электрическому заряду в правой части. Как и другие законы сохранения, закон сохранения электрического заряда характеризует фундаментальное свойство физического мира и проверяется экспериментально. Возникает вопрос: - Как изменяется в результате реакций общее число (электрически заряженных и нейтральных) базисных зарядов? Если существует некоторый гипотетический закон сохранения числа базисных зарядов, то должны существовать фундаментальные (не имеющие исключений) правила, определяющие тип и число частиц, возникающих в результате любых распадов.
Для частиц, записанных в форме комбинаций базисных зарядов, можно ввести параметр, характеризующий четность числа этих зарядов. Чтобы не путать с уже существующим параметром «четность», назовем такую характеристику «парностью». Стабильные частицы (по табл.1), за исключением фотона, состоят из нечетного числа зарядов - являются непарными. Используя накопленные экспериментальные данные, можно проверить выполнение нескольких следствий гипотетического универсального закона сохранения. Например, так как из источника (вакуума) может добавляться только четное число базисных зарядов, то парность до реакции всегда будет равна парности после реакции. Конечным продуктом любой реакции распада являются стабильные частицы. Единственным способом восстановить парность реакции является генерация нейтрино (фотон имеет два базисных заряда и парность реакции изменить не может, другие непарные, стабильные частицы имеют электрический заряд). Следовательно, если при распаде нейтральной частицы генерируется парное число базисных зарядов (парность вычисляется из табл. 1), то при распаде заряженной частицы из этого мультиплета – должно генерироваться непарное число нейтрино. Необходимо отметить, что другого способа восстановления парности не существует. Например, легко определить, что сумма базисных зарядов продуктов распада нейтрального пиона (π 135) всегда является парной, тогда распад заряженного пиона всегда должен сопровождаться генерацией непарного нейтрино. Исключений из этого и других аналогичных правил не существует. На этом основании, можно утверждать, что закон сохранения электрического заряда является следствием более сильного нового ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ:
Невозможно создать или уничтожить одиночный (нейтральный или электрически заряженный) базисный заряд или изменить его тип.
Более подробно следствия рассмотрим позднее.
Вывод
Изучение первого варианта гипотезы П. Дирака открывает принципиально новое направление в исследовании мира элементарных частиц.
Литература
1. P.A.M. Dirac «ATheoryofElectronsandProtons», Proc. R. Soc. A126 360 (1930) link to the volume of the Proceedings of the Royal Society of London containing the article at page 360
2. http://n-t.ru/tp/ng/fk.htm
3. http://n-t.ru/tp/ns/to.htm
4. Phys. Rev. 100, 947—950 (1955)
