Физика часто воспринимается как предмет, местами трудный для понимания, особенно для тех, кто не имеет специальной подготовки; с одной стороны, ее очарование неоспоримо, с другой — понимание сложных теорий, таких как та, что выражена уравнением Дирака, и применение соответствующих формул в различных контекстах представляют собой настоящую задачу.
Считающееся одним из самых сложных для понимания, если не для применения, в области квантовой физики, уравнение Дирака описывает поведение фермионов столь же элегантно, сколь и изысканно. В этой статье мы стремимся раскрыть его тайны, предлагая простое и интуитивное объяснение его значения и применения.
Но прежде чем углубляться в анализ формулы, необходимо лучше узнать человека, который с такой гениальностью ее сформулировал: Пол Дирак.
Кто такой Пол Дирак
Пол Адриен Морис Дирак был британским физиком, родившимся в начале двадцатого века в семье швейцарского происхождения, которая придавала большое значение образованию.
С юных лет он проявлял естественную склонность к математическим и физическим наукам, что позволило ему поступить в лучшие учебные заведения того времени, включая начальную школу Бишоп Роуд в Бристоле, Технический колледж торговцев и Инженерный колледж.
Его талант был быстро признан: в 1932 году он стал профессором математики в Кембридже, подтвердив свою роль пионера в области физики.
Формула, названная в его честь: уравнение Дирака
В то время науки начинали набирать обороты; многие ученые и теоретики формулировали законы, которые могли бы описывать естественные физические явления, но все они имели недостатки.
Уравнение Дирака было сформулировано в попытке усовершенствовать уравнение Клейна-Гордона, которое не учитывало одну из основных характеристик квантовых частиц: спин!
Частицы подвержены спину, то есть квантовому свойству, которое может принимать различные значения и изменяться со временем.
(i∂–m)ψ=0
Это формула уравнения Дирака, которая, честно говоря, внушает только страх и ужас, а также заставляет нас чувствовать себя немного невежественными; но иногда достаточно знать основы значения символов, чтобы понять его смысл.
Переводя формулу на слова, мы имеем: «m» обозначает массу и, очевидно, является отрицательной, «∂» — это производная, предшествующая «i», которая обозначает мнимую величину.
Электроны были использованы для объяснения поведения этих микрочастиц, когда они движутся близко к скорости света, учитывая, однако, на этот раз и спин, который Клейн-Гордон упустил.
Формула уравнения Дирака, переведенная в теорию
Формула говорит, что: если две системы взаимодействуют друг с другом в течение определенного времени, а затем разделяются, они больше не могут быть описаны как две отдельные системы, но каким-то образом становятся одной системой.
Другими словами, то, что происходит с одной из них, продолжает влиять на другую, даже если они находятся на расстоянии километров или световых лет.
Вот почему мы часто слышим о «Теории любви Дирака«, но на самом деле она не имеет ничего общего с чувствами, хотя кто-то убежден, что у физика было сердце поэта.
Еще одно важное замечание заключается в том, что уравнение Дирака действительно только для микрочастиц, свободных двигаться в межгалактическом пространстве и без взаимодействий с другими частицами или полями.
Для чего нам нужно уравнение Дирака?
Уравнение Дирака — это важный инструмент, который позволяет нам точно и последовательно описывать поведение фундаментальных частиц, фермионов (субатомных частиц, характеризующихся полуцелым спином, например, 1/2, 3/2 и т.д.), интегрируя принципы квантовой механики с принципами относительности.
Оно не только объясняет, как движутся такие частицы, как электрон, но и открыло путь к открытию антиматерии, раскрывая удивительные аспекты природы материи и энергии. Вкратце, уравнение Дирака — это основа современной физики, которая продолжает направлять исследования и инновации в области физики частиц.
