Следующей теоретической победой на фронте атомной физики тех лет было выступление английского физика Поля Адриена Мориса Дирака. Он получил высшее техническое образование в Бристольском университете, после чего специализировался по теоретической физике в Кембридже. Уже тогда Дирак обладал удивительно абстрактным умом и еще в университете поражал окружающих логикой своих рассуждений.
Мне на студенческой скамье не раз доводилось слышать от своих преподавателей хрестоматийный рассказ о способе решения Дираком одной конкурсной задачи.
Условие ее было таким: три рыбака, ловившие рыбу ночью, были застигнуты бурей и остались пережидать ее до утра на небольшом островке. Первый проснувшийся обнаружил, что ветер стих, и решил покинуть остров, забрав треть улова. Он разделил улов на три части, выкинул одну оставшуюся от дележа рыбину в море, взял свою часть и уехал.
Затем проснулся второй рыбак. Не подозревая, что один из товарищей уже уехал, он тоже разделил улов на три части. И у него тоже осталась одна лишняя рыба, которую он выбросил в море. И, забрав свою долю, уехал домой.
Точно так же поступил и третий рыбак. Сколько же рыб поймали рыбаки всего?
Спустя некоторое время конкурсная комиссия получила ответ студента Дирака — «минус две рыбы». Ответ был чисто формальным, но правильным.
Не этих ли отрицательных рыб вспомнил Дирак, познакомившись с теорией Гейзенберга? Создав самостоятельно математический аппарат матриц, он успешно показал соответствие между квантовой и классической механикой. После чего принялся за уравнение Шредингера, решив привести его в соответствие с теорией относительности.
В результате его работ появились уравнения Дирака, которые почти идеально описывали электрон. И только один недостаток был у его уравнений. Недостаток, от которого ему никак не удавалось избавиться, — окончательное решение каждый раз имело два ответа. Один соответствовал положительному, другой — отрицательному значениям полной энергии электрона.
Но частица с отрицательной полной энергией — физическая нелепость. Ведь тогда она должна обладать и отрицательной массой. Представляете себе, что творилось бы в мире, если бы подобные частицы существовали?..
Однако сколько ни бился Дирак, уравнения упорно давали два решения. И тогда он предложил считать, что электроны с отрицательной полной энергией существуют… Более того, их так много, что они заполняют весь мир, создавая сплошной ненаблюдаемый фон. Ну, скажем, как в океане: рыбы ведь не замечают воды, в которой живут. Так же как мы с вами не замечаем воздуха в комнатах…
Теперь предположим, что одному из электронов этого фона прилетевший неведомо откуда фотон или квант электромагнитного излучения сообщил удвоенную положительную энергию.
Почему удвоенную? Потому что одна ее порция должна пойти на компенсацию отрицательной энергии этого электрона, а вторая переведет его в состояние обычного электрона. В «сплошном фоне» дираковского «океана» появится «дырка». Причем эта дырка, во всем противоположная электрону с отрицательной массой, должна обладать всеми свойствами обычного электрона, в том числе положительной энергией и массой, но с положительным зарядом… Час от часу не легче, вздохнули физики при таком известии: электронов же с положительными зарядами не бывает… Впрочем, зачем так категорично? Год от года физики становились все более осторожны в своих утверждениях. Почему бы не предположить, что и положительный электрон существует, но пока не найден…
Широкий фронт бурного наступления теоретиков на проблему строения атома далеко опередил опыт. В глубоком тылу остались нерешенные вопросы, как несдавшиеся гарнизоны крепостей в период общего наступления армии. Но когда таких «котлов» оказывается слишком много, возникает опасность прорыва окружения. Может быть, эта военная аналогия поможет читателю представить себе положение в физике атома начала 30-х годов и согласиться с тем, что наступила пора экспериментов, которые позволили бы хотя бы некоторые «котлы» ликвидировать.
Рассказывают, что с молодых лет Дирак отличается чрезвычайной молчаливостью и вообще он на редкость скромный и тихий человек. Однажды Бор даже посетовал, что Дирак ведет настолько уединенный образ жизни в Копенгагене, что многие физики не подозревают о его существовании. Присутствовавший при разговоре Дж. Дж. Томсон сказал: «Это напоминает мне историю с попугаем, который не хотел разговаривать. Когда покупатель стал жаловаться на это продавцу, тот ответил: «Вы хотели получить болтуна, а я отдал вам мыслителя».