Почему протон не может иметь отрицательный электрический заряд, а электрон – положительный? Почему среди всех возможных комбинаций спин – заряд реализуется только часть? Возможно, ответ кроется в далеком прошлом и связан с одной из гипотез П. Дирака. В настоящее время эта гипотеза основательно забыта. Посмотрим на результат «воскрешения» этой удивительной идеи.
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 заполнены парой частиц, имеющих противоположное значение спина и электрического заряда. 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. Запишем исходную пару частиц в следующем символьном виде:
Запись общепринятого варианта гипотезы Дирака (в трактовке Вейля) будет иметь вид:
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».
Первоначальная несимметричная (относительно массы) реакция Дирака может протекать между двумя группами
и сопровождаться генерацией 2 частиц (протона и электрона) при смещении
и генерацией 2 античастиц (антипротона и позитрона) при смещении заряда
.
Массивные «дырки»
и
имеют равную массу, отличаются знаком электрического заряда и спина, что позволяет ассоциировать их с протоном и антипротоном. Подвижным «носителям»
и
соответствуют электрон и позитрон. Процесс генерация пары позитрон – электрон является частным случаем общей реакции переноса заряда и значительно отличается от схемы Вейля:
Назовем
и
основой (базисом) и составляющий базис элементы – «базисными зарядами». Используя эти соотношения, определим разрешенные состояния 4 базисных зарядов:
Анализ показал, что любых других зарядов в природе не существует. Необходимо особо подчеркнуть, что несимметричные реакции являются не более чем формальной записью первой гипотезы Дирака и не содержат никаких дополнительных условий и предположений.
Возвращаясь к вопросу, поставленному в начале этой заметки, можно утверждать следующее: если материя во Вселенной возникла в результате несимметричной реакции Дирака, то ограничение числа комбинаций спин – эл. заряд для стабильных заряженных частиц является закономерным и обусловлено существованием некоторого универсального (формирующего пространство и материю) базисного «элемента». В развитие этой гипотезы, запишем гипотетические зарядовые комбинации всех стабильных частиц, вычисляя спин и электрический заряд как сумму по компонентам всех базисных зарядов, составляющих эту частицу:
Электрон:
Позитрон:
Протон:
Антипротон:
Фотон:
Нейтрино:
Из забытой гипотезы Дирака следует существование не одной частицы – позитрона, а двух – позитрона и антипротона, открытого значительно позже позитрона. В свое время это прямое следствие, к сожалению, было пропущено.
Вывод
Кроме кодировки частиц с помощью комбинаций кварков мы, фактически, получили альтернативную систему кодировки используя "базисные заряды". Основное отличие - кварки являются результатом безудержного полета фантазии и изобретались по факту, если существующего набора было недостаточно. А с помощью реакции Дирака можно попытаться построить физическую модель частиц, в том числе, вычислить ряд параметров и выработать новые законы и правила протекания реакций распада.
