Partikeln,

Antiteilchen

]]

Das Meer von Dirac ist ein theoretisches Modell des Vakuums als ein unendliches Meer von Partikeln mit der negativen Energie. Wie man zuerst verlangte, hat es vom britischen Physiker Paul Dirac 1930 die anomalen Quant-Staaten der negativen Energie erklärt, die durch die Gleichung von Dirac für relativistische Elektronen vorausgesagt sind. Der Positron, die Antimaterie-Kopie des Elektrons, wurde als ein Loch im Meer von Dirac kurz vor seiner experimentellen Entdeckung 1932 ursprünglich konzipiert.

Die Gleichungsverbindungsenergie, die Masse und der Schwung in der speziellen Relativität sind:

:

Im speziellen Fall einer Partikel ruhig (d. h. p = 0) nimmt die obengenannte Gleichung dazu ab, der gewöhnlich als das vertraute angesetzt wird. Jedoch ist das eine Vereinfachung, weil, während wir auch das sehen können. Deshalb ist die richtige Gleichung, um zu verwenden, um Energie und Masse in Hamiltonian der Gleichung von Dirac zu verbinden:

Hier wurde die negative Lösung verwendet, um die Existenz der Antimaterie vorauszusagen, die von Carl Anderson als der Positron entdeckt ist. Die Interpretation dieses Ergebnisses verlangt ein Meer von Dirac, zeigend, dass die Gleichung von Dirac nicht bloß eine Kombination der speziellen Relativität und Quant-Feldtheorie ist, aber es deutet auch an, dass die Zahl von Partikeln nicht erhalten werden kann.

Ursprünge

Die Ursprünge des Meeres von Dirac liegen im Energiespektrum der Gleichung von Dirac, einer Erweiterung der Gleichung von Schrödinger, die mit der speziellen Relativität im Einklang stehend ist, die Dirac 1928 formuliert hatte. Obwohl die Gleichung im Beschreiben der Elektrondynamik äußerst erfolgreich war, besitzt es eine ziemlich eigenartige Eigenschaft: Für jeden Quant-Staat das Besitzen einer positiven Energie E gibt es einen entsprechenden Staat mit der Energie-E. Das ist nicht eine große Schwierigkeit, wenn ein isoliertes Elektron betrachtet wird, weil seine Energie erhalten wird und Elektronen der negativen Energie ausgelassen werden können. Jedoch entstehen Schwierigkeiten, wenn Effekten des elektromagnetischen Feldes betrachtet werden, weil ein Elektron der positiven Energie im Stande sein würde, Energie durch das dauernde Ausstrahlen von Fotonen, ein Prozess zu verschütten, der ohne Grenze weitergehen konnte, weil das Elektron in tiefer und niedrigere Energiestaaten hinuntersteigt. Echte Elektronen benehmen sich klar auf diese Weise nicht.

Die Lösung von Dirac davon war, sich dem Ausschluss-Grundsatz von Pauli zuzuwenden. Elektronen sind fermions, und folgen dem Ausschluss-Grundsatz, was bedeutet, dass keine zwei Elektronen einen einzelnen Energiestaat innerhalb eines Atoms teilen können (wenn Drehung ignoriert wird). Dirac hat Hypothese aufgestellt, dass, woran wir denken, weil das "Vakuum" wirklich der Staat ist, in dem alle Staaten der negativen Energie, und keiner der Staaten der positiven Energie gefüllt werden. Deshalb, wenn wir ein einzelnes Elektron einführen wollen, würden wir es in einem Staat der positiven Energie stellen müssen, weil alle Staaten der negativen Energie besetzt werden. Außerdem, selbst wenn das Elektron Energie durch das Ausstrahlen von Fotonen verliert, würde es davon verboten, Energie unter Null fallen zu lassen.

Dirac hat auch darauf hingewiesen, dass eine Situation bestehen könnte, in dem alle Staaten der negativen Energie außer einem besetzt werden. Dieses "Loch" im Meer von Elektronen der negativen Energie würde auf elektrische Felder antworten, als ob es eine positiv beladene Partikel war. Am Anfang hat Dirac dieses Loch als ein Proton identifiziert. Jedoch hat Robert Oppenheimer darauf hingewiesen, dass ein Elektron und sein Loch im Stande sein würden, einander zu vernichten, Energie auf der Ordnung der Rest-Energie des Elektrons in der Form von energischen Fotonen veröffentlichend; wenn Löcher Protone wären, würden stabile Atome nicht bestehen. Hermann Weyl hat auch bemerkt, dass ein Loch handeln sollte, als ob es dieselbe Masse wie ein Elektron hat, wohingegen das Proton ungefähr zweitausendmal schwerer ist. Das Problem wurde schließlich 1932 aufgelöst, als der Positron von Carl Anderson mit allen für das Loch von Dirac vorausgesagten physikalischen Eigenschaften entdeckt wurde.

Geschmacklosigkeit des Meeres von Dirac

Trotz seines Erfolgs neigt die Idee vom Meer von Dirac dazu, Leute als sehr elegant nicht zu schlagen. Die Existenz des Meeres bezieht eine unendliche negative elektrische Anklage ein, die den ganzen Raum füllt. Um jeden Sinn daraus zu haben, muss man annehmen, dass das "bloße Vakuum" eine unendliche positive Anklage-Dichte haben muss, die durch das Meer von Dirac genau annulliert wird. Da die absolute Energiedichte — die kosmologische Konstante beiseite unbeobachtbar ist — vertritt die unendliche Energiedichte des Vakuums kein Problem. Nur Änderungen in der Energiedichte sind erkennbar. Landis bemerkt auch, dass Ausschluss von Pauli nicht endgültig bedeutet, dass ein gefülltes Meer von Dirac mehr Elektronen seitdem nicht akzeptieren kann, wie Hilbert aufgehellt hat, kann ein Meer des unendlichen Ausmaßes neue Partikeln akzeptieren, selbst wenn es gefüllt wird. Das geschieht, wenn wir eine chiral Anomalie und ein Maß instanton haben.

Die Entwicklung der Quant-Feldtheorie (QFT) hat es in den 1930er Jahren möglich gemacht, die Gleichung von Dirac in einem Weg wiederzuformulieren, der den Positron als eine "echte" Partikel aber nicht die Abwesenheit einer Partikel behandelt, und das Vakuum den Staat macht, in dem keine Partikeln statt eines unendlichen Meeres von Partikeln bestehen. Dieses Bild ist besonders viel mehr überzeugend, da es alle gültigen Vorhersagen des Meeres von Dirac wie Elektronpositron-Vernichtung wiedererlangt. Andererseits beseitigt die Feldformulierung alle durch das Meer von Dirac erhobenen Schwierigkeiten nicht; insbesondere das Problem des Vakuums, das unendliche Energie besitzt.

Moderne Interpretation

Die Dirac Seeinterpretation und die moderne QFT Interpretation sind dadurch verbunden, wovon als eine sehr einfache Transformation von Bogoliubov, eine Identifizierung zwischen der Entwicklung und den Vernichtungsmaschinenbedienern von zwei verschiedenen freien Feldtheorien gedacht werden kann. In der modernen Interpretation ist der Feldmaschinenbediener für Dirac spinor eine Summe von Entwicklungsmaschinenbedienern und Vernichtungsmaschinenbedienern in einer schematischen Notation:

Ein Maschinenbediener mit der negativen Frequenz senkt die Energie jedes Staates durch einen der Frequenz gleichen Betrag, während Maschinenbediener mit der positiven Frequenz die Energie jedes Staates erheben.

In der modernen Interpretation fügen die positiven Frequenzmaschinenbediener eine positive Energiepartikel hinzu, zur Energie beitragend, während die negativen Frequenzmaschinenbediener eine positive Energiepartikel vernichten, und die Energie senken. Für ein Feld von Fermionic gibt der Entwicklungsmaschinenbediener Null, wenn der Staat mit dem Schwung k bereits gefüllt wird, während der Vernichtungsmaschinenbediener Null gibt, wenn der Staat mit dem Schwung k leer ist.

Aber dann ist es möglich, den Vernichtungsmaschinenbediener als ein Entwicklungsmaschinenbediener für eine negative Energiepartikel wiederzuinterpretieren. Es senkt noch die Energie des Vakuums, aber in diesem Gesichtspunkt tut es so durch das Schaffen eines negativen Energiegegenstands. Diese Umdeutung betrifft nur die Philosophie. Um die Regeln dafür wieder hervorzubringen, wenn die Vernichtung im Vakuum Null gibt, muss der Begriff von "leeren" und "gefüllten" für die negativen Energiestaaten umgekehrt werden. Anstatt Staaten ohne Antiteilchen zu sein, sind das Staaten, die bereits mit einer negativen Energiepartikel gefüllt werden.

Der Preis ist, dass es eine Nichtgleichförmigkeit in bestimmten Ausdrücken gibt, weil das Ersetzen der Vernichtung mit der Entwicklung eine Konstante zur negativen Energiepartikel-Zahl hinzufügt. Der Zahl-Maschinenbediener für ein Feld von Fermi ist:

was bedeutet, dass, wenn man N durch 1-n für negative Energiestaaten ersetzt, es eine unveränderliche Verschiebung in Mengen wie die Energie und die Anklage-Dichte, Mengen gibt, die die Gesamtzahl von Partikeln aufzählen. Die unendliche Konstante gibt dem Meer von Dirac eine unendliche Energie und Anklage-Dichte. Die Vakuumanklage-Dichte sollte Null sein, da das Vakuum Lorentz invariant ist, aber das ist künstlich, um sich im Bild von Dirac zu einigen. Auf die Weise wird es getan ist durch den Übergang zur modernen Interpretation.

Und doch, die Idee von Dirac ist im Zusammenhang der Physik des festen Zustands völlig richtig, wo das Wertigkeitsband in einem Festkörper als ein "Meer" von Elektronen betrachtet werden kann. Löcher in diesem Meer kommen tatsächlich vor und sind äußerst wichtig, für die Effekten von Halbleitern zu verstehen, obwohl sie nie "Positrone" genannt werden. Unterschiedlich in der Partikel-Physik gibt es eine zu Grunde liegende positive Anklage — die Anklage des ionischen Gitters — der die elektrische Anklage des Meeres annulliert.

In der Fiktion

• In der Neonentstehung Evangelion 12Angel scheint Leliel zuerst, eine riesige Kugel zu sein, die in der Luft schwimmt, wer verschwindet und nach Wunsch wieder erscheint, und dessen Schatten Gebäude schluckt. Da es sich erweist, ist die "Kugel" wirklich ein 3-dimensionaler durch seinen 4-dimensionalen Körper geworfener Schatten. Der Körper ist nur einige Nanometer dick, und das Interieur wird als ein Meer von Dirac beschrieben.

Siehe auch

• Meer von Fermi
• Positronium
• Vakuumenergie
• Vakuumpolarisation
• Virtuelle Partikel

Außenverbindungen

Papiere: