Jak Paul Dirac propojil kvantovou fyziku s relativitou?
Paul Dirac (1902–1984) v roce 1928 propojil kvantový popis elektronu se speciální relativitou. Jeho rovnice přirozeně zahrnula spin a otevřela cestu k předpovědi antihmoty. Dnešní částicová fyzika z tohoto spojení stále vychází.
© / kredit: Cambridge University, Cavendish Laboratory / Wikimedia Commons · Zdroj · · Public domain · Úpravy: zmenšení, rámeček a kredit.
Proč bylo třeba spojit dvě teorie
Kvantová mechanika vysvětlovala atomové jevy, zatímco speciální relativita popisovala vztahy mezi prostorem, časem, energií a pohybem při vysokých rychlostech. Pro elektron bylo potřeba vytvořit teorii respektující oba rámce.
Dirac v roce 1928 předložil rovnici, která tento úkol splnila. Umožnila podrobněji počítat vlastnosti elektronu a jeho interakci s elektromagnetickým polem. Stala se důležitým krokem k relativistické kvantové teorii pole.
Jak se v rovnici objevil spin
Elektron má spin, vnitřní kvantovou vlastnost související s momentem hybnosti a magnetickým chováním. Při měření jeho složky v určitém směru poskytuje dvě možné hodnoty.
Diracova rovnice tuto strukturu přirozeně zahrnula. Diracův popis pomohl vysvětlit také magnetické vlastnosti elektronu a drobné rozdíly mezi energiemi některých stavů v atomu. Ty se projevují ve světle, které atom vyzařuje nebo pohlcuje: některé spektrální čáry se při podrobném měření rozliší na několik velmi blízkých čar. Tomuto jevu říkáme jemná struktura atomového spektra. Důsledky rovnice tak šlo porovnávat s přesnými laboratorními měřeními.
Cesta k pozitronu
Řešení relativistické rovnice přinesla také otázku stavů se zápornou energií. Dirac při jejich výkladu dospěl v roce 1931 k předpovědi částice se stejnou hmotností jako elektron a opačným elektrickým nábojem.
Carl Anderson v roce 1932 objevil v kosmickém záření pozitron. Tento kladně nabitý protějšek elektronu se stal prvním známým příkladem antihmoty. Při setkání elektronu s pozitronem může dojít k anihilaci. Při ní obě částice zaniknou a jejich energie, včetně energie odpovídající jejich hmotnosti, se přemění v energii záření — při anihilaci pomalého elektronu a pozitronu nejčastěji vzniknou dva fotony.
Příklad reakce elektron–pozitron na dva fotony při nulové celkové počáteční hybnosti. Fotony mají stejné energie a opačné směry. Zachovává se celková energie, hybnost i elektrický náboj. Schéma neznázorňuje skutečné dráhy ani Feynmanův diagram.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Jak jeho přínos rozvinula částicová fyzika
V dnešní teorii pole částice a antičástice přirozeně patří do společného popisu. Diracova rovnice se používá také pro další fermiony, tedy částice se spinem podobného typu jako elektron.
Spojení relativity a kvantových pravidel je základem standardního modelu částicové fyziky. Přesné výpočty přitom zahrnují další interakce a opravy; jejich porovnávání s experimenty navazuje na otázky, které Dirac otevřel.
Proč se jeho jméno objevuje u neutrin
Označení Diracovo neutrino znamená, že neutrino a jeho antičástice jsou dvě odlišné částice. Druhou zkoumanou možností je Majoránovo neutrino, které by bylo vlastní antičásticí. Rozlišení těchto možností patří k důležitým úkolům současných experimentů.
Tato otázka souvisí s původem neutrinové hmotnosti a s hledáním vysvětlení převahy hmoty ve vesmíru. Laboratorní výzkum přibližuje téma o antihmotě. Za zásadní přínos ke kvantovému popisu atomů získal Dirac společně s Erwinem Schrödingerem Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1933.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Diracova práce ukazuje, jak může spojení dvou úspěšných teorií předpovědět novou částici. Jeho rovnice propojuje atomová měření, antihmotu i dnešní otázky o vlastnostech neutrin.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)