В 1928 году британец Поль Дирак, один из величайших физиков в истории, решая волновое уравнение Шрёдингера, предсказал: у электрона должен быть двойник, аналогичный ему по массе, но противоположный по заряду.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №3(31). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Поль Дирак

Рассмотрим упрощённое релятивистское уравнение Дирака для электрона.

Это уравнение относительно энергии имеет два решения: отрицательное и положительное. Причём отрицательное значение отбрасывалось как невозможное, поскольку энергия меняется непрерывно и не может поменять знак. Но Дирак взялся объяснить и интерпретировать физический смысл отрицательной энергии. В квантовой теории, в отличие от классической, изменение энергии происходит скачкообразно.

Дирак предположил, что отрицательные энергетические уровни уже заполнены некими невидимыми частицами (их называют Морем Дирака). Допустим, одной из этих частиц мы передали энергию. Согласно нашим ожиданиям, она должна перейти на более высокий энергетический уровень — в положительную область, где мы увидим её как электрон. На месте частицы в отрицательной зоне образовалась «дырка». Так как раньше здесь была отрицательная частица (электрон), то дырка должна приобрести положительный заряд, в точности равный заряду электрона. Ведь до того как мы передали энергию невидимой частице, она имела нейтральный заряд (иначе была бы видимой).

Почему эту дырку не может занять другая невидимая частица? Из-за фундаментального квантового принципа Паули, согласно которому в одном состоянии не может одновременно находиться более одного электрона, то есть каждой дырке соответствует один электрон. Далее Дирак предположил, что, скорее всего, это не просто фрагмент пустоты, а положительный электрон, то есть позитрон. Модель Дирака объясняет, почему частицы появляются парами (частица-античастица), а при их аннигиляции выделяется энергия.

Теория эта была воспринята скептически. Доказать её могли только экспериментаторы. Они должны были либо найти эту частицу, либо опровергнуть предсказание. Читать далее