В

Открытие позитрона

начале теория Дирака была встречена с большим скепсисом, тем более что сам Дирак отождествлял гипотетические положительно заряженные частицы с протонами. Теория Дирака, по его же собственным словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам». Переоценка теории Дирака произошла после открытия позитрона – частицы, в действительности симметричной по отношению к электрону.

Позитрон был открыт в 1932 году в составе космических лучей. Существование космического излучения было доказано австрийским физиком В. Гессом, совершившим в 1912 году подъем на воздушном шаре с электроскопом. Сообщая о результатах своего эксперимента в статье, опубликованной в журнале «Physikalische Zeitschrift», Гесс в частности писал: «Результаты моих наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». В 1936 году В. Гессу за открытие космических лучей была присуждена Нобелевская премия по физике.

Еще в 1923 году П. Л. Капица для наблюдения искривления треков заряженных частиц поместил камеру Вильсона в магнитное поле. В 1929 году этим методом для исследования космических лучей воспользовался Д. В. Скобельцын. Он сразу же обнаружил слабо искривленные магнитным полем треки отрицательно заряженных частиц, радиус кривизны и характер которых позволяли с уверенностью отождествить эти частицы с электронами. Однако на фотографиях Скобельцына встречались и треки частиц, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону. Скобельцын интерпретировал их как следы электронов, движущихся в направлении, противоположном направлению падения электронов космического излучения.

В 1932 году американский физик К. Андерсон, используя этот же метод для исследования космического излучения, применил на порядок более сильное магнитное поле. Он также обнаружил треки частиц, отклонявшихся в магнитном поле в противоположные стороны. С целью выяснить первоначальное направление движения этих частиц Андерсон разделил камеру Вильсона на две части свинцовой пластинкой. Проходя сквозь свинцовую пластинку, частица замедлялась, и ее трек искривлялся магнитным полем сильнее. Это позволило Андерсону показать, что направление падения частиц, оставлявших в камере Вильсона треки, искривленные в противоположную электронам сторону, совпадает с направлением падения электронов. Это означало, что соответствующие треки создаются в камере положительно заряженными частицами. Радиус кривизны и характер треков свидетельствовали, что эти частицы обладают массой электрона и положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Открытую частицу Андерсон назвал позитроном. В 1933 году открытие позитрона экспериментально подтвердили П. Блэкетт и Дж. Оккиалини.

Открытие позитрона позволило по-новому взглянуть на теорию Дирака. Физики, включая и самого Дирака, осознали, что в его теории содержалось предсказание существования позитрона. В 1933 году на Ленинградской конференции Дирак изложил сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, … не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только не занятые электронами уровни … могут быть замечены … совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т.е. «дырки» в распределении электронов с отрицательной энергией, будут восприниматься нами как частицы с положительной энергией. Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т.е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».

С точки зрения теории Дирака, оказывался возможным процесс перехода электрона с положительной энергией на незанятый уровень с отрицательной энергией; при этом избыточная энергия E = 2m₀c² должна была излучаться в виде -квантов. Если же электрон физического вакуума в состоянии с отрицательной энергией поглощал -квант с энергией , он должен был переходить в состояние с положительной энергией и становиться наблюдаемым, а освободившееся состояние с отрицательной энергией должно было восприниматься как позитрон.

Эти предсказания, следующие из теории Дирака, были подтверждены в 1933 году открытием рождения в поле атомного ядра пары из -кванта с энергией, превышающей 2m₀c² (Ф. и И. Жолио-Кюри, К. Андерсон, П. Блэкетт, Дж. Оккиалини), а также экспериментальным наблюдением Ф. Жолио-Кюри и Ж. Тибо аннигиляции электронов и позитронов: .

«Согласно теории Дирака, – писал Ф. Жолио-Кюри, – положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях. Энергия каждого из фотонов составляет 0,510⁶ эВ; сумма этих энергий, равная 10⁶ эВ, соответствует аннигиляции массы двух электронов». Жолио-Кюри установил, что возможен и обратный процесс, когда «фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами». В подтверждение этих слов Жолио-Кюри на Ленинградской конференции демонстрировал фотографию, на которой было зарегистрировано рождение электрон-позитронной пары в камере Вильсона.

Заметим, что трудности теории Дирака, связанные с появлением лишенного физического смысла бесконечного фона электронов с отрицательной энергией, являлись результатом неправомерности рассматривать задачу о движении свободной частицы при релятивистских энергиях. При таких энергиях неизбежно протекание процессов рождения пар частица-античастица и их аннигиляции, что представляет собой уже задачу с переменным числом частиц, входящую в компетенцию квантовой теории поля. В квантовой теории поля в результате вторичного квантования четырехкомпонентной функции спинорного поля  появляется возможность симметричного описания электронов и позитронов, обладающих положительной энергией и различающихся знаком электрического заряда. При этом представление о ненаблюдаемом фоне состояний с отрицательной энергией оказывается излишним.