Море Дира́ка – теоретическая модель вакуума как бесконечного моря частиц с отрицательной энергией. В 1927-1928 годах британский физик Поль Дирак, пытаясь связать воедино специальную теорию относительности и теорию элементарных частиц, описал релятивистскую теорию электрона и, в частности, волновое уравнение, получившее название уравнения Дирака.
Это уравнение описывает релятивистское движение электрона, то есть движение при скоростях, сравнимых со скоростями света. Одно из важных следствий уравнения Дирака – существование решений с отрицательной энергией, то есть отрицательных уровней энергии для электронов. Но тогда известные нам электроны с положительной энергией должны постоянно “проваливаться” на отрицательные уровни, выделяя большое количество энергии! А в реальности, как мы знаем, такого не происходит. Почему?
Чтобы разрешить этот парадокс, Дирак предположил существование “моря” отрицательных энергетических состояний, заполненных электронами. Эта умозрительная конструкция и получила название моря Дирака.
В этой модели вакуум не пуст, а заполнен электронами с отрицательной энергией. Эти электроны ненаблюдаемые и никак себя во внешнем мире не проявляют. Более того, море Дирака настолько полно, что новые электроны не могут в него провалиться (согласно так называемому принципу запрета Паули — правилу, запрещающему двум частицам-фермионам занимать одно и то же квантовое состояние). Однако, применив энергию, можно перевести электрон с отрицательного уровня на положительный. “Пустое место”, которое останется на освободившемся месте, должно иметь массу электрона и заряд, ему противоположный.
Когда Дирак сформулировал свою концепцию, физикам были известны всего три частицы размером меньше атома: фотон (квант света), электрон (с отрицательным зарядом) и протон (с положительным зарядом). Сначала Дирак предположил, что “пустое место” – это протон. Но его масса примерно в 1800 раз больше массы электрона! Такую разницу не могли объяснить ни Дирак, ни его коллеги.
И тогда Дирак предположил, что речь идёт о новой, ещё не известной частице. И действительно, в 1932 году американский физик Карл Андерсон, наблюдая космическое излучение с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле, обнаружил античастицу, которую назвал позитрон. Это была первая частица антивещества, открытая людьми – и её свойства поразительно согласовывались с дираковской релятивистской теорией электронов.
Концепция моря Дирака, хотя и успешно предсказала существование антиматерии, имеет свои ограничения. Не очень понятно, как вакуум, то есть бесконечное море частиц с отрицательной энергией, может иметь нулевой электрический заряд. Кроме того, эту концепцию невозможно распространить на бозоны, для которых не действует принцип запрета Паули. Попытка обойти и эти ограничения привела к развитию квантовой теории поля, где вакуум определяется как состояние без частиц (и без античастиц). Сейчас, с появлением более удовлетворительных теорий, модель моря Дирака обычно не используется. Однако именно она привела к открытию антивещества, которое в наше время достаточно хорошо изучено и имеет практические применения (например, в ПЭТ-диагностике — методе медицинской визуализации, использующем позитроны для построения изображения процессов в организме). Ещё одно важное наследие моря Дирака – электронно-дырочная теория, лежащая в основе работы полупроводников.
Смотрите новые видео на youtube.com/@PhysFromPobed
Приобретайте наши конструкторы на fizikits.ru , ozon.ru и Яндекс.Маркет