Фізика часто сприймається як предмет, що подекуди здається складним, особливо для тих, хто не має спеціальної підготовки; з одного боку, її чарівність незаперечна, з іншого — розуміння складних теорій, таких як та, що виражена рівнянням Дірака, і застосування відповідних формул у різних контекстах є справжнім викликом.
Вважається одним з найскладніших для розуміння, якщо не для застосування, у сфері квантової фізики, рівняння Дірака описує поведінку ферміонів настільки елегантно, наскільки й витончено. У цій статті ми прагнемо розкрити його таємниці, пропонуючи просте та інтуїтивне пояснення його значення та застосувань.
Але перш ніж заглибитися в аналіз формули, варто краще дізнатися про людину, яка з такою геніальністю її сформулювала: Пол Дірак.
Хто такий Пол Дірак
Пол Адріан Моріс Дірак був британським фізиком, народженим на початку ХХ століття зі швейцарським корінням, у родині, яка надавала великого значення освіті.
З юних років він виявляв природну схильність до математичних і фізичних наук, настільки, що був прийнятий до найкращих закладів того часу, включаючи Bishop Road Junior School у Брістолі, Merchant Venturers Technical College та Engineering College.
Його талант був швидко визнаний: у 1932 році він став професором математики в Кембриджі, підтверджуючи свою роль піонера в галузі фізики.
Формула, що отримала його ім’я: рівняння Дірака
У той час науки починали набирати обертів; багато вчених і теоретиків формулювали закони, які могли б описати природні фізичні явища, але всі вони мали недоліки.
Рівняння Дірака було сформульовано в спробі вдосконалити рівняння Клейна-Гордона, яке не враховувало одну з основних характеристик квантових частинок: спін!
Частинки підлягають спіну, тобто квантовій властивості, яка може приймати різні значення і змінюватися з часом.
(i∂–m)ψ=0
Це формула рівняння Дірака, яка, якщо дивитися на неї так, чесно кажучи, викликає лише страх і жах, а також змушує нас почуватися трохи неосвіченими; але іноді достатньо знати основи значення символів, щоб зрозуміти її значення.
Перекладаючи формулу словами, ми маємо, що: “m” означає масу і, очевидно, є негативною, “∂” — це похідна, перед якою стоїть “i”, що означає уявну величину.
Електрони були використані для пояснення поведінки цих мікрочастинок, коли вони рухаються поблизу швидкості світла, враховуючи, однак, цього разу також спін, який Клейн-Гордон залишив поза увагою.
Формула рівняння Дірака, перекладена в теорію
Формула говорить, що: якщо дві системи взаємодіють між собою протягом певного періоду часу, а потім розділяються, їх більше не можна описувати як дві окремі системи, але в якомусь сенсі вони стають єдиною системою.
Іншими словами, те, що відбувається з однією з них, продовжує впливати на іншу, навіть якщо вони знаходяться на відстані кілометрів або світлових років.
Ось чому ми часто чуємо про “Теорію любові Дірака“, але насправді вона не має нічого спільного з почуттями, хоча дехто вважає, що фізик мав серце поета.
Ще одне важливе зауваження полягає в тому, що рівняння Дірака дійсне лише для мікрочастинок, які вільно рухаються в міжгалактичному просторі і не взаємодіють з іншими частинками або полями.
Для чого нам потрібне рівняння Дірака?
Рівняння Дірака є важливим інструментом, який дозволяє нам точно і послідовно описувати поведінку фундаментальних частинок, ферміонів (субатомних частинок, що характеризуються напівцілим спіном, наприклад, 1/2, 3/2 тощо), інтегруючи принципи квантової механіки з принципами відносності.
Воно не лише пояснює, як рухаються частинки, такі як електрон, але й відкрило шлях до відкриття антиматерії, розкриваючи дивовижні аспекти природи матерії та енергії. У підсумку, рівняння Дірака є стовпом сучасної фізики, яке продовжує керувати дослідженнями та інноваціями в галузі фізики частинок.
