Fizyka jest często postrzegana jako dziedzina nieco zawiła, zwłaszcza dla tych, którzy nie mają specjalistycznego wykształcenia; z jednej strony jej urok jest niezaprzeczalny, z drugiej strony zrozumienie skomplikowanych teorii – takich jak ta wyrażona równaniem Diraca – i zastosowanie odpowiednich formuł w różnych kontekstach stanowi prawdziwe wyzwanie.
Uważane za jedno z najtrudniejszych do zrozumienia, jeśli nie do zastosowania, równań w dziedzinie fizyki kwantowej, równanie Diraca opisuje zachowanie fermionów w sposób równie elegancki, co wyrafinowany. W tym artykule zamierzamy odkryć jego tajemnice, oferując proste i intuicyjne wyjaśnienie jego znaczenia i zastosowań.
Ale zanim zagłębimy się w analizę formuły, warto lepiej poznać człowieka, który z taką genialnością ją sformułował: Paul Dirac.
Kim jest Paul Dirac
Paul Adrien Maurice Dirac był brytyjskim fizykiem, urodzonym na początku XX wieku z pochodzenia szwajcarskiego, w rodzinie, która przywiązywała dużą wagę do edukacji.
Od młodości wykazywał naturalne skłonności do nauk matematycznych i fizycznych, co pozwoliło mu dostać się do najlepszych instytutów tamtych czasów, w tym Bishop Road Junior School w Bristolu, Merchant Venturers Technical College i Engineering College.
Jego talent został szybko dostrzeżony: w 1932 roku został profesorem matematyki w Cambridge, potwierdzając swoją rolę pioniera w dziedzinie fizyki.
Formuła, która nosi jego imię: równanie Diraca
W tamtym czasie nauki zaczynały się rozwijać; wielu uczonych i teoretyków formułowało prawa, które mogłyby opisywać naturalne zjawiska fizyczne, ale wszystkie miały pewne niedoskonałości.
Równanie Diraca zostało sformułowane w celu udoskonalenia równania Kleina-Gordona, które nie uwzględniało jednej z głównych cech cząstek kwantowych: spinu!
Cząstki podlegają spinowi, czyli kwantowej właściwości, która może przyjmować różne wartości i zmieniać się w czasie.
(i∂–m)ψ=0
To jest formuła równania Diraca, która, patrząc na nią, szczerze mówiąc, budzi tylko strach i przerażenie, a także sprawia, że czujemy się trochę ignoranci; ale czasami wystarczy znać podstawy znaczenia symboli, aby zrozumieć jej znaczenie.
Tłumacząc formułę na słowa, mamy, że: “m” oznacza masę i jest oczywiście ujemna, “∂” to pochodna poprzedzona “i”, które oznacza ilość urojoną.
Elektrony zostały użyte do wyjaśnienia zachowania tych mikrocząstek, gdy podróżują blisko prędkości światła, uwzględniając jednak tym razem także spin, który Klein-Gordon pominął.
Formuła równania Diraca przetłumaczona na teorię
Formuła mówi, że: jeśli dwa systemy oddziałują ze sobą przez pewien czas, a następnie zostaną rozdzielone, nie mogą być już opisywane jako dwa odrębne systemy, ale w pewien sposób stają się jednym systemem.
Innymi słowy, to, co dzieje się z jednym z nich, nadal wpływa na drugi, nawet jeśli są oddalone o kilometry lub lata świetlne.
Oto wyjaśnienie, dlaczego często słyszymy o “Teorii miłości Diraca“, która w rzeczywistości nie ma nic wspólnego z uczuciami, chociaż niektórzy są przekonani, że fizyk miał serce poety.
Inną ważną uwagą jest to, że równanie Diraca jest ważne tylko dla mikrocząstek swobodnie poruszających się w przestrzeni międzygalaktycznej i bez interakcji z innymi cząstkami lub polami.
Do czego służy nam równanie Diraca?
Równanie Diraca jest niezbędnym narzędziem, które pozwala nam dokładnie i spójnie opisać zachowanie cząstek fundamentalnych, fermionów (cząstek subatomowych charakteryzujących się spinem półcałkowitym, na przykład 1/2, 3/2, itd.), integrując zasady mechaniki kwantowej z zasadami relatywności.
Nie tylko wyjaśnia, jak poruszają się cząstki takie jak elektron, ale także otworzyło drogę do odkrycia antymaterii, ujawniając zaskakujące aspekty natury materii i energii. W skrócie, równanie Diraca jest filarem współczesnej fizyki, który nadal kieruje badaniami i innowacjami w dziedzinie fizyki cząstek.
