Dėl bendrų filosofinių motyvų iš pirmo žvilgsnio norėtųsi turėti kuo mažiau elementarių dalelių rūšių, - tarkim, vieną rūšį, ar daugiausia dvi, - ir visa medžiaga kad būtų sudaryta iš šių elementarių rūšių. Vis dėlto iš eksperimentinių rezultatų atrodo, kad turi būti kažkas daugiau. Tiesą sakant, elementariųjų dalelių rūšių skaičius rodė gana neraminančią tendenciją pastaraisiais metais didėti.
Tačiau padėtis nėra tokia bloga, kadangi įdėmiau panagrinėjus pasirodo, kad skirtumas tarp elementarių ir sudėtinių dalelių negali būti griežtas. Norint interpretuoti kai kuriuos naujuosius eksperimentinius rezultatus, tenka tarti, kad dalelės gali būti sutvertos ir anihiliuotos. Taigi, jei pastebima, kad dalelė pasirodė iš kitos dalelės, jau nebegalima būti tikram, kad pastaroji yra sudėtinė. Pirmoji galėjo būti sutverta. Skirtumas tarp elementarių dalelių ir sudėtinių dalelių pasidaro patogumo dalykas. Vien jau šios priežasties pakanka, kad mestum patrauklią filosofinę idėją apie visos medžiagos sudarymą iš vienos ar galbūt dviejų rūšių plytų.
Šičia norėčiau aptarti paprastesnes dalelių rūšis ir nutarti, kokias išvadas galima apie jas padaryti grynai iš teorinių samprotavimų. Paprastesnės dalelių rūšys yra:
1) fotonai arba šviesos kvantai, iš kurių sudaryta šviesa;
2) elektronai ir neseniai atrastieji pozitronai (pasirodo, besantys tartum elektronų veidrodiniai atspindžiai, nuo jų besiskiriantys tik savo elektrinio krūvio ženklu);
3) sunkesniosios dalelės - protonai ir neutronai.
Iš jų visų aš apsistosiu beveik vien ties elektronais ir pozitronais: ne todėl, kad jie įdomiausi, o todėl, kad jų atveju teorija išplėtota labiau. Faktiškai, apie kitų savybes teoriškai padaryti išvadų beveik negalima. Fotonai, viena vertus, yra tokie paprasti, kad jiems gali būti lengvai pritaikyta bet kokia teorinė schema, ir teorija jų savybėms neužduoda jokių apribojimų. Kita vertus, protonai ir neutronai, atrodo, yra perdaug sudėtingi, ir jokio patikimo jų teorijos pagrindo dar neatrasta.
Klausimas, kurį turime išnagrinėti pirmiausia, yra kaipgi teorija išvis gali suteikti kokios nors informacijos apie elementariųjų dalelių savybes. Šiuo metu egzistuoja bendroji kvantinė mechanika, kurią galima naudoti bet kokios rūšies dalelės judėjimui aprašyti, nepriklausomai nuo tos dalelės savybių. Tačiau bendroji kvantinė mechanika galioja tik kai dalelės juda nedideliais greičiais ir nebegalioja greičiams, palyginamiems su šviesos greičiu, kai pasirodo reliatyvumo efektai. Nėra reliatyvistinės kvantinės mechanikos (tai yra tokios, kad galiotų dideliems greičiams), kurią galima taikyti bet kokių savybių dalelėms. Taigi, taikant reliatyvistinius reikalavimus kvantinei mechanikai, įvedami apribojimai dalelės savybėms. Šitaip galima dedukciniu būdu išvesti informaciją apie daleles vien iš teoriškų samprotavimų, paremtų bendrais fizikiniais principais.
Ši procedūra sėkminga elektronų ir pozitronų atveju. Reiktų tikėtis, kad ateityje kažkokia panaši procedūra bus atrasta kitų dalelių atvejui. Norėčiau čia nusakyti bendrais bruožais metodą elektronams ir pozitronams, parodydamas, kaip galima išvesti elektrono sukinines savybes, o toliau - kaip galima padaryti išvadą apie pozitronų su panašiomis sukininėmis savybėmis egzistavimą ir su galimybe šiems būti anihiliuotiems susidūrimuose su elektronais.
Pradedame nuo lygties, reliatyvistinėje kvantinėje mechanikoje siejančios
dalelės kinetinę energiją
ir impulsą (judesio kiekį)
(
):
Šitaip esame nukreipiami nagrinėti tokio tipo lygtį:
kai
o taip pat visi
komutuoja su visais
ir su
.
Dėl šitų specialių
savybių lygtis (3) šiek tiek ekvivalenti lygčiai
(2), kadangi tada, padauginę (3)
iš kairės iš
,
gauname tiksliai (2).
Iš naujųjų kintamųjų ,
kuriuos turime įvesti, kad gautume tiesinę
atžvilgiu reliatyvistinę banginę lygtį, kyla elektrono sukinys. Iš bendrųjų
kvantinės mechanikos principų galima lengvai išvesti, kad šie kintamieji
suteikia elektronui sukininį judesio kiekio momentą, lygų pusei kvanto,
ir magnetinį vieno Boro magnetono momentą priešinga judesio kiekio momentui
kryptimi. Šie rezultatai sutinka su eksperimentu. Faktiškai, jie buvo pirmiausia
gauti iš eksperimentinių parodymų, suteiktų spektroskopijos, o po to patvirtintų
teorijos.
Dar iš kintamųjų
kyla kai kurie gana netikėti reiškiniai, susiję su elektrono judėjimu.
Juos visiškai išnagrinėjo Šriodingeris. Rasta, kad elektronas, mums atrodantis
judąs lėtai, iš tikrųjų privalo turėti labai didelio dažnio mažos amplitudės
osciliatorišką judėjimą, esantį virš to paprasto, kuris mums pasirodo.
Dėl šio osciliatoriško judėjimo elektrono greitis bet kuriuo metu lygus
šviesos greičiui. Toks yra numatymas, kurio negalima tiesiogiai verifikuoti
eksperimentu, kadangi osciliatoriško judėjimo dažnis yra toks aukštas,
o jo amplitudė - tokia maža. Tačiau reikia tikėti šia teorijos išvada,
kadangi kitos teorijos išvados, kurios yra neatskiriamai susijusios su
šita, kaip antai šviesos sklaida elektronu, yra patvirtintos eksperimentu.
Yra dar vienas šių lygčių bruožas, kurį dabar norėčiau aptarti: bruožas,
atvedęs į pozitrono numatymą. Pažvelgus į lygtį (1)
matosi, kad joje kinetinei energijai
leista būti arba teigiamu dydžiu, didesniu už
,
arba neigiamu dydžiu, mažesniu už
.
Šis rezultatas išlieka, kai pereinama prie kvantinės lygties (2)
arba (3). Tos kvantinės lygtys yra tokios,
kad, jas interpretuojant pagal bendrąją kvantinės dinamikos schemą, jos
galimais
matavimo rezultatais leidžia būti kažką daugiau už
arba kažką mažiau už
.
Betgi praktiškai dalelės kinetinė energija visada yra teigiama. Taigi matome, kad mūsų lygtys leidžia elektronui dvi judėjimo rūšis, kurių tik viena atitinka tai, kas mums pažįstama. Kita atitinka elektronus, judančius labai savotiškai, - taip, kad kuo greičiau jie juda, tuo mažiau energijos turi, ir jiems reikia suteikti energijos, kad būtų sustabdyti.
Taigi, būtų linkstama įvesti, - kaip naują teorijos prielaidą, - kad tik viena iš dviejų judėjimo rūšių pasitaiko praktiškai. Bet šitai sukelia (šiokį tokį) sunkumą, kadangi iš teorijos gauname, jog jei elektroną sutrikdome, tai galime sukelti šuolį iš teigiamos energijos judėjimo būsenos į neigiamos energijos, taigi, net jei tartume visus elektronus pasaulyje esant paleistus teigiamos energijos būsenose, po kiek laiko kai kurie jų būtų neigiamos energijos būsenose.
Taigi, leisdama neigiamos energijos būsenas, teorija suteikia kai ką tokio, kas, atrodo, neatitinka nieko eksperimentiškai žinomo, bet ko negalime paprastai atsikratyti, įvesdami naują prielaidą. Turime rasti kažkokią prasmę šioms būsenoms.
Šių būsenų elgsenos elektromagnetiniame lauke nagrinėjimas rodo, kad jos atitinka elektrono - su teigiamu krūviu vietoj neigiamo - judėjimą, - tai, ką eksperimentuotojai dabar vadina pozitronu. Todėl galima būtų linkti laikyti, kad elektronai neigiamos energijos būsenose yra tiesiog pozitronai, bet šitai netinka, kadangi stebimieji pozitronai tikrai yra ne neigiamų energijų. Tačiau galime sudaryti sąryšį tarp elektronų neigiamos energijos būsenose ir pozitronų kitu, ne tokiu tiesioginiu būdu.
Pasinaudojame Paulio draudimo principu, pagal kurį bet kokioje judėjimo būsenoje tegali būti vienintelis elektronas. Tada padarome prielaidas, kad pasaulyje, kurį pažįstame, beveik visos neigiamos energijos būsenos elektronams yra užimtos, - kaip tik po vieną elektroną kiekvienoje būsenoje, - ir kad vienodas visų neigiamos energijos būsenų užpildymas yra mums visiškai nepastebimas. Ir toliau: bet kuri neužimta neigiamos energijos būsena, būdama nukrypimu nuo vienodumo, yra stebima ir yra tiesiog pozitronas.
Neužimta neigiamos energijos būsena, arba skylutė, kaip ją galime trumpai pavadinti, bus teigiamos energijos, kadangi tai yra vieta, kurioje trūksta neigiamos energijos. Skylutė faktiškai yra visai kaip įprasta eilinė dalelė, o jos sutapatinimas su pozitronu atrodo protingiausias būdas įveikti neigiamų energijų pasirodymo mūsų lygtyse keblumą. Šituo požiūriu pozitronas yra tiesiog veidrodinis elektrono atvaizdas, turintis lygiai tokią pačią masę ir priešingą krūvį. Šitai jau apytikriai patvirtino eksperimentas. Dar pozitronas turėtų panašias į elektrono sukinines savybes, bet šitai dar nepatvirtinta eksperimentu.
Pagal mūsų teorinį paveikslą turėtume laukti, kad eilinis elektronas su teigiama energija gali įsmukti į skylę ir šitą skylę užpildyti, energijai išsilaisvinant elektromagnetinės spinduliuotės forma. Tatai reikštų procesą, kur elektronas ir pozitronas vienas kitą anihiliuoja. Atvirkščias procesas, o būtent, elektrono ir pozitrono sutvėrimas iš elektromagnetinės spinduliuotės, irgi turi galėti įvykti. Panašu, kad tokie procesai rasti eksperimentiškai, ir šiuo metu yra eksperimentuotojų tiriami nuodugniau.
Elektronų ir pozitronų teorija, kurią ką tik probėgšmais išdėsčiau, yra neprieštaringa teorija, atitinkanti iki šiol žinomus eksperimentinius faktus. Norėtųsi turėti tiek pat patenkinamą teoriją protonams. Ko gera kai kas galėtų pamanyti, kad ta pati teorija galėtų būti pritaikyta protonams. Tai pareikalautų galimybės egzistuoti neigiamo krūvio protonams, sudarantiems įprastinių teigiamo krūvio protonų veidrodinį atvaizdą. Tačiau yra naujų eksperimentinių požymių, gautų Šterno, apie protono sukininį magnetinį momentą, kurie kertasi su šita teorija protonams. Kadangi protonas yra tiek daug sunkesnis už elektroną, visiškai tikėtina, kad jam reikalinga kažkokia sudėtingesnė teorija, nor šiuo metu negalima pasakyti, kokia ta teorija yra.
Kaip bebūtų, aš manau tikėtina, kad gali egzistuoti neigiami protonai, nes kiek dar iki šiol teorija yra tikra, egzistuoja visiška ir tiksli simetrija tarp teigiamo ir neigiamo elektros krūvio, ir jei ši simetrija tikrai fundamentali gamtoje, tai turi būti galima apgręžti bet kurios rūšies dalelės krūvį. Neigiamus protonus, žinoma, būtų žymiai sunkaiu pagaminti eksperimentiškai, kadangi būtų reikalinga žymiai didesnė energija, atitinkanti didesnę masę.
Jei priimame visiškos simetrijos tarp teigiamo ir neigiamo elektrinio
krūvio požiūrį, kiek tai susiję su fundamentaliais Gamtos dėsniais, tai
turime laikyti, jog veikiau dėl atsitiktinumo Žemė (ir, matyt, visa Saulės
sistema) turi neigiamų elektronų ir teigiamų protonų persvarą. Visiškai
įmanoma, kad kai kurioms žvaigždėms yra priešingai, ir jos būna sudarytos
daugiausia iš pozitronų ir neigiamų protonų. Iš tikrųjų gali būti po pusę
kiekvienos rūšies žvaigždžių. Tos dvi žvaigždžių rūšys abi rodytų tiksliai
tą patį spektrą, ir nebūtų jokio būdo jų atskirti dabartiniais astronominiais
metodais.