Проблема могла быть поставлена корректно благодаря созданию квантовой теории света, которая была выдвинута впервые в 1905 г. Эйнштейном и в дальнейшем получила блестящее подтверждение.[98]
В 1925 г. немецкий ученый Штерн поставил вопрос, не может ли столкновение двух частиц света (или, как их называют, двух фотонов) привести к рождению атома водорода, т. е. довольно сложной системы, состоящей из ядра с положительным электрическим зарядом (или протона) и из материальной частицы, заряженной отрицательно (или электрона). Штерн сделал вывод о возможности подобного явления при выполнении целого ряда условий, которые весьма редко могут быть осуществлены, особенно в межзвездном пространстве.[99] Действительно, это возможно, по Штерну, прежде всего лишь в условиях исключительно высокой температуры (равной многим миллионам градусов); впрочем, и обратное превращение, т. е. возникновение двух фотонов вследствие распада атома водорода, требует такой же температуры. Кроме того, для этого необходима исключительно большая плотность фотонов в данной области пространства. В 1931 г. немецкий ученый Доннан пришел к аналогичным выводам (в частности, в отношении температурных условий).
По мнению этих ученых, превращение излучения в корпускулярную материю может происходить лишь во внутренних и очень горячих областях звезд. Оно не может иметь места в межзвездном пространстве, и его нельзя, разумеется, воспроизвести сейчас в лабораториях.
Но вопреки этому мнению именно в лаборатории была осуществлена двадцать лет назад «материализация» фотонов, правда, в рамках иного процесса, чем тот, который рассматривался Доннаном и Штерном. Речь идет об экспериментальных работах Андерсона и супругов Жолио-Кюри. Хотя эти ученые и не занимались построением атома водорода путем столкновения двух фотонов, но, по крайней мере, обнаружили возможность эффективной «материализации» фотонов и создания в лабораториях более сложных атомов из более простых.
Первое явление такого рода было обнаружено в лабораториях в результате изучения некоторых свойств так называемых космических лучей. Космические лучи, приходящие на Землю по всем направлениям из пространства, обладают очень большой проницающей силой и содержат в числе других маленькие заряженные частицы, аналогичные электронам, но заряженные положительно — отсюда их название «положительных электронов» или позитронов. Подобные частицы до 1933 г., когда их открыл американский ученый Андерсон, никогда еще не наблюдались.
Андерсон, бомбардируя пластинку свинца радиоактивным излучением тория, сумел получить в лаборатории те же позитроны, сопровождаемые отрицательными электронами. Он объяснил появление этих частиц тем, что фотон с большой энергией, излучаемый торием, при встрече с ядром атома свинца превращается в две материальные частицы, обладающие противоположными электрическими зарядами. Таким образом, можно сделать вывод о настоящей «материализации» излучения (именно этот термин использовали супруги Жолио-Кюри, которые повторили подобный опыт во Франции), поскольку фотон, частица излучения, рождает две частицы вещества: отрицательный и положительный электроны. Наоборот, если отрицательный электрон встречается с позитроном, то они могут «дематериализоваться» («аннигилироваться»), превращаясь в два фотона (опыты Ф. Жолио и Ж. Тибо).
Супруги Жолио-Кюри пошли гораздо дальше в своих исследованиях и сумели осуществить превращение одних химических элементов в другие, подвергая их воздействию излучения различного рода. В большом числе случаев образованные таким путем новые элементы сразу же распадаются, давая начало третьим элементам (искусственная радиоактивность). Так, например, бомбардируя соответствующим излучением алюминий, эти ученые превратили его в неустойчивый фосфор, который вел себя как радиоактивный элемент в течение нескольких минут, а затем (через достаточно большой промежуток времени) окончательно превращался в кремний. В то же самое время можно было наблюдать образование многочисленных позитронов. Следует обратить внимание на то, что атомное число (соответствующее степени сложности атомной структуры) для получаемого кремния меньше такового для фосфора, но больше атомного числа первичного алюминия.
98
Впервые понятие о квантовом (прерывном) характере света выдвинул крупнейший немецкий физик М. Планк. (Прим. ред.)
99
Предположение Штерна об образовании атомов водорода из излучения является неправильным. Дело в том, что при всех превращениях излучения в вещество всегда образуются не единичные частицы, а «пары» частиц с противоположными зарядами: электрон — позитрон, протон — антипротон. Поэтому наряду с образованием из излучения атомов водорода должны в равном количестве образовываться атомы «антиводорода» с антипротоном в качестве ядра, вокруг которого обращается позитрон. (Прим. ред.)