Mer de Dirac

La mer de Dirac de est un modèle théorique du vide comme mer infinie des particules possédant l'énergie négative . Elle a été inventée par le britannique Paul Dirac du physicien du en 1930 pour expliquer les états de Quantum anormaux de de négatif-énergie prévus par l'équation de Dirac de pour les électrons relativistes du le positron , les contre-parties de de l'antimatière de l'électron, a été à l'origine conçue de comme un trou en mer de Dirac, bien avant sa découverte expérimentale en 1932. Dirac, Einstein et d'autres ont identifié qu'on le lie à l'éther « métaphysique » :

… avec la nouvelle théorie d'électrodynamique nous sommes plutôt forcés d'avoir un éther. Dirac, `est là un éther ? ,' nature , v.

L'équation rapportant l'énergie, la masse et l'élan dans la relativité spéciale est :

< ! -- : E² = p²c² + m²c⁴ , -->
$E^2=p^2c^2+m^2c^4$ , de

Dans le cas spécial d'une particule au repos ( d'IE p = 0 ,) l'équation ci-dessus réduit à < ! -- E² = m²c⁴ --> $E^2=m^2c^4$ , qui est habituellement cité en tant que familier < ! -- E = mc² --> $E=mc^2$ . Cependant, c'est une simplification parce que, alors que < ! -- X•X = x² --> $x*x=x^2$ , nous pouvons également voir cela < ! -- (- x)•(- x) = x² --> $(- x) * (- x) =x^2$ . Par conséquent, l'équation correcte à employer pour rapporter l'énergie et la masse dans le hamiltonien de l'équation de Dirac est :

< ! -- : E = ± mc² . --> $E= de {\ P.$

Ici la solution négative est l'antimatière , découverte par Karl Anderson comme positron . L'interprétation de ce résultat exige une mer de Dirac, prouvant que l'équation de Dirac n'est pas simplement une combinaison de relativité spéciale et de théorie des champs de quantum, mais elle implique également que le nombre de particules ne peut pas être conservé.

Origines

Les origines de la mer de Dirac se situent dans le spectre d'énergies de l'équation de Dirac, une prolongation de l'équation de Schrödinger de qui est compatible à la relativité spéciale, que Dirac avait formulée en 1928. Bien que l'équation ait été extrêmement réussie en décrivant la dynamique d'électron, elle possède un dispositif plutôt particulier : pour chaque état de quantum possédant un positif E d'énergie, il y a un état de correspondance avec le d'énergie - E . Ce n'est pas une grande difficulté quand nous regardons un électron d'isolement, parce que son énergie est conservé par et nous pouvons simplement choisir de ne présenter aucun électron de négatif-énergie. Cependant, elle devient sérieuse quand nous commençons à penser à la façon inclure les effets du champ électromagnétique , parce qu'un électron de positif-énergie pourrait jeter l'énergie en émettant sans interruption les photons un processus qui pourrait continuer sans limite pendant que l'électron descend dans des états d'énergie inférieure et inférieure. Les vrais électrons clairement ne se comportent pas de cette façon.

La solution de Dirac à ceci était de se tourner vers le principe d'exclusion de Pauli . Les électrons sont les fermions et respectent le principe d'exclusion, ainsi il signifie qu'aucun deux électrons ne peuvent partager un état d'énergie simple dans un atome. Dirac a présumé que ce que nous pensons à comme " ; vacuum" ; est réellement l'état dans quel tous les les états de négatif-énergie sont rempli, et rien la positif-énergie énonce. Par conséquent, si nous voulons présenter un électron simple nous devrions le mettre dans un état de positif-énergie, comme tous les états de négatif-énergie sont occupés. En outre, même si l'électron perd l'énergie par l'émission des photons on l'interdirait de la chute au-dessous de l'énergie nulle.

Dirac a également précisé qu'une situation pourrait exister dans ce que tous les états de négatif-énergie sont occupés excepté un. Ce " ; hole" ; en mer de négatif-énergie les électrons répondraient aux champs électriques comme si c'étaient une particule positively-charged. Au commencement, Dirac a identifié ce trou comme proton . Cependant, le Robert Oppenheimer a précisé qu'un électron et son trou pourraient en mesure au annihilent , libérant l'énergie sur l'ordre de l'énergie de repos de l'électron sous forme de photons énergiques ; si les trous étaient des protons, les atomes stables n'existeraient pas. Le Hermann Weyl a également noté qu'un trou devrait agir comme s'il a la même masse qu'un électron, tandis que le proton est environ deux mille fois plus lourd. Le problème a été finalement résolu en 1932 quand le positron a été découvert par le Karl Anderson , avec toutes les propriétés physiques prévues pour le trou de Dirac.

Inelegance de mer de Dirac

En dépit de son succès, l'idée de la mer de Dirac tend à ne pas frapper des personnes comme très élégantes. L'existence de la mer implique une charge électrique négative infinie remplissant tout l'espace. Afin de sembler n'importe quel raisonnable hors de ceci, on doit supposer que le " ; vacuum" nu ; doit avoir une densité infinie de charge positive qui est exactement décommandée par la mer de Dirac. Puisque la densité d'énergie absolue est inobservable-le la densité d'énergie infinie d'aside-the cosmologique de la constante du vide ne représente pas un problème. Seulement les changements de la densité d'énergie sont observables. Landis note également que l'exclusion de Pauli ne signifie pas définitivement qu'une mer remplie de Dirac ne peut pas accepter plus d'électrons, puisque, pendant que le Hilbert élucidé, une mer de l'ampleur infinie peut accepter de nouvelles particules même si il est rempli. Ceci se produit quand nous avons une anomalie chirale et un Instanton de mesure.

Le développement de la théorie des champs de Quantum dans les années 30 a permis pour reformuler l'équation de Dirac d'une manière dont traite le positron comme " ; real" ; la particule plutôt que l'absence d'une particule, et fait au vide l'état dans lequel particule n'existe pas au lieu d'une mer infinie des particules. Cette image est beaucoup plus d'une façon convaincante, d'autant plus qu'elle reprend toutes les prévisions valides de la mer de Dirac, telles que l'annihilation d'électron-positron. D'une part, la formulation de champ n'élimine pas toutes les difficultés augmentées par la mer de Dirac ; en particulier le problème du vide de possédant l'énergie infinie .

Applications modernes

L'interprétation de mer de Dirac et le " ; modern" ; L'interprétation de QFT sont rapportées par une transformation de Bogoliubov de .

L'idée de Dirac est tout à fait correcte dans le cadre de la physique solide , où la bande de valence de dans un plein peut être considérée comme un " ; sea" ; des électrons. Les trous en cette mer se produisent en effet, et sont extrêmement importants pour comprendre les effets des semi-conducteurs bien qu'ils pas désigné jamais sous le nom du " ; positrons" ;. À la différence de dans la physique de particules, il y a une charge positive fondamentale - la charge du trellis ionique - cette décommande dehors la charge électrique de la mer.

Dans la fiction

la mer de Dirac fournit un mécanisme pour temps-voyagent dans le récompense - " de gain de nébuleuse de de Landis A. Geoffrey la 'd'histoire courte ; Le ondule dans le " de la mer de Dirac ;.

la mer de Dirac est également employé comme source d'énergie pour des armes du A-POT dans le la série de la flotte de romans par le Bill Fawcett et le David Drake .

tandis que le nom de Dirac n'est jamais employé, il est évident que la description du negasphere du E. Smith dans le Lensman gris de soit une interprétation fictive de la mer de Dirac.

la mer de Dirac de limite apparaît également dans la genèse au néon Evangelion de de série de l'Anime deux fois. Le douzième Leliel d'ange, qui absorbe l'unité 01 d'Eva, est censé pour se composer de mer de Dirac. En outre, après l'unité 04 a été examinée using un moteur , il de ² du S a censément produit d'une mer de Dirac. Ceci a eu comme conséquence la disparition ambiguë de tout dans un rayon de 89km, y compris la deuxième branche du NERV dans le Nevada . Le Ritsuko Akagi spécule que les masses continentales absentes étaient entrées dans une mer de Dirac.
Le rivage de Dirac de

est le nom d'une voie dans la bande sonore de la demi vie 2 .

Voir également

Mer de Fermi de
Positronium
Énergie de vide de
Polarisation de vide de
Particule virtuelle

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