Кіріспе
Вакуумның теориялық моделі Дирак теңізі – электрондық вакуумның теориялық моделі, ол теріс энергиясы бар электрондардың шексіз теңізі, қазір позитрондар деп аталады. Оны алғаш рет 1930 жылы британдық физик Пол Дирак релятивистік электрондарға арналған Дирак теңдеуі болжаған аномальды теріс энергиялық кванттық күйлерді түсіндіру үшін ұсынды. Электронның антиматериялық әріптесі – позитрон, 1932 жылы эксперименттік түрде ашылғанға дейін Дирак теңізіндегі бос орын ретінде қарастырылды. Бос орын теориясында теріс уақыт эволюциясы факторларымен шешімдер Карл Андерсон ашқан позитронды көрсетеді деп қайта түсіндіріледі. Бұл нәтижені түсіндіру үшін Дирак теңізі қажет, ол Дирак теңдеуінің ерекше салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканың жай ғана үйлесімі емес, сонымен қатар бөлшектердің саны сақталмайтынын көрсетеді. Дирак теңізі теориясы кванттық өріс теориясымен ығыстырылды, бірақ олар математикалық тұрғыдан үйлесімді.
The Dirac sea is a theoretical model of the electron vacuum as an infinite sea of electrons with negative energy, now called positrons. It was first postulated by the British physicist Paul Dirac in 1930 to explain the anomalous negative energy quantum states predicted by the Dirac equation for relativistic electrons (electrons traveling near the speed of light). The positron, the antimatter counterpart of the electron, was originally conceived of as a hole in the Dirac sea, before its experimental discovery in 1932. In hole theory, the solutions with negative time evolution factors are reinterpreted as representing the positron, discovered by Carl Anderson. The interpretation of this result requires a Dirac sea, showing that the Dirac equation is not merely a combination of special relativity and quantum mechanics, but it also implies that the number of particles cannot be conserved. Dirac sea theory has been displaced by quantum field theory, though they are mathematically compatible.
Шығу тегі
Кристаллдардағы тесіктер туралы ұқсас идеяларды 1926 жылы совет физигі Яков Френкель жасаған, бірақ 1928 жылдың жазында екеуі совет физикасы конгресінде кездескенде Диракпен бұл тұжырым талқыланғанына ешқандай дәлел жоқ. Дирак теңізінің бастауы Дирак теңдеуінің энергия спектрінде, ол Шредингер теңдеуінің ерекше салыстырмалылық теориясына сәйкес келетін кеңейтілген түрі, және Дирак 1928 жылы осы теңдеуді тұжырымдаған. Бұл теңдеу электрон динамикасын сипаттауда үлкен жетістікке жеткенімен, өте ерекше ерекшелікке ие: оң энергиясы E болатын әрбір кванттық күйге энергиясы E болатын сәйкес күй бар. Бұл оқшауланған электронды қарастырғанда үлкен қиындық тудырмайды, себебі оның энергиясы сақталады және теріс энергиялы электрондар ескерілмеуі мүмкін. Дегенмен, электромагниттік өрістің әсерін қарастырғанда қиындықтар туындайды, өйткені оң энергиялы электрон фотондарды үздіксіз шығарып энергиясын жоғалта алады, бұл процесс электронның энергиясы төмендей келе шексіз жалғасуы мүмкін. Бірақ, нақты электрондар мұндай қағиданы сақтамайды. Дирактың бұл мәселені шешуі Паулидің тыйым салу принципіне негізделді. Электрондар фермиондар болып табылады және тыйым салу принципіне бағынады, яғни атом ішінде екі электрон бір энергиялық күйді бөлісе алмайды. Дирак «вакуум» деп білетініміздің ішіндегі барлық теріс энергиялық күйлердің толыққанды, ал оң энергиялық күйлердің бос екенін болжады. Сондықтан, егер бір электронды енгізуді қаласақ, оны оң энергиялық күйге орналастыру қажет, себебі барлық теріс энергиялық күйлер толтырылған. Сонымен қатар, электрон фотондарды шығарып энергиясын жоғалтса да, нөлдік энергиядан төмен түсуіне рұқсат етілмейді. Дирак сондай-ақ, барлық теріс энергиялық күйлердің біреуін қоспағанда толыққанды болуы мүмкін жағдайлар бар екенін көрсетті. Бұл теріс энергиялы электрондар теңізіндегі «тесік» электр өрістеріне оң зарядты бөлшектей әсер етеді. Бастапқыда Дирак бұл тесікті протон деп атады. Бірақ Роберт Оппенгеймер электрон мен оның тесігінің бір-бірін жоя алатынын, энергияны электрондардың тынығу энергиясының шамасындағы энергетикалық фотондар түрінде босата алатынын көрсетті; егер тесіктер протон болса, тұрақты атомдар болмас еді. Герман Вейль де тесіктің массасы электрон массасына тең болуы керек екенін, ал протонның массасы шамамен екі мың есе ауыр екенін атап өтті. Бұл мәселе 1932 жылы Карл Андерсон позитронды ашқанда, Дирак тесігі үшін болжанған барлық физикалық қасиеттерімен толыққанды шешілді.
Дирак теңізінің шектен шығушылығы
Дирак теңізі идеясы сәттілікке қарамастан, адамдарға өте әдемі болып көрінбейді. Теңіздің болуы бүкіл кеңістікті толтыратын шексіз теріс электр зарядын білдіреді. Мұны түсіну үшін, "таза вакуумның" Дирак теңізімен дәл теңестірілетін шексіз оң заряд тығыздығына ие болуы керек деп есептеу қажет. Абсолюттік энергия тығыздығы – космологиялық тұрақтыны ескермегенде – байқауға болмайтындықтан, вакуумның шексіз энергия тығыздығы проблема тудырмайды. Тек энергия тығыздығының өзгеруі ғана байқалады. Геффри Лэндис Паулидің қағидасы толтырылған Дирак теңізіне қосымша электрондарды қабылдау мүмкін емес дегенді білдірмейді, себебі, Хилберт түсіндіргендей, шексіз кеңістіктегі теңіз толған болса да, жаңа бөлшектерді қабылдай алады. Бұл хиральды аномалия және өлшегіш инстантон болған жағдайда орын алады. 1930 жылдары кванттық өрістер теориясының (QFT) дамуы Дирак теңдеуін позитронды бөлшектердің жоқтығынан гөрі "нақты" бөлшек ретінде қарастыратын және вакуумды бөлшектердің шексіз теңізі емес, бөлшектердің жоқ күйі ретінде сипаттайтын жаңадан құруға мүмкіндік берді. Бұл көрініс Дирак теңізінің барлық дұрыс болжамдарын, мысалы, электрон-позитрон жойылуын қайтадан көрсетеді. Алайда, өріс формулировкасы Дирак теңізі тудырған барлық қиындықтарды жоймайды; әсіресе вакуумның шексіз энергияға ие болуы мәселесін.
Қазіргі заманғы түсіндірме
Дирак теңізінің интерпретациясы мен қазіргі заманғы КВТ интерпретациясы өте қарапайым Боголюбов түрлендіруі арқылы байланыстырылуы мүмкін, екі түрлі еркін өріс теориясының жарату және жою операторларының арасындағы сәйкестік. Қазіргі интерпретация бойынша Дирак спинорының өріс операторы – жарату операторы мен жою операторының қосындысы, схемалық белгілеуде: теріс жиілігі бар оператор кез келген күйдің энергиясын жиілікке пропорционалды шамада төмендетеді, ал оң жиілігі бар операторлар кез келген күйдің энергиясын көтереді. Қазіргі заманғы интерпретация бойынша оң жиілікті операторлар оң энергиялы бөлшекті қосып, энергияны арттырады, ал теріс жиілікті операторлар оң энергиялы бөлшекті жояды және энергияны төмендетеді. Фермиондық өріс үшін, k импульсі бар күйдің толы болғанда жарату операторы нөлді береді, ал k импульсі бар күйдің бос болғанда жою операторы нөлді береді. Бірақ содан кейін жою операторын теріс энергиялы бөлшектің жарату операторы ретінде қайта интерпретациялауға болады. Ол әлі де вакуумның энергиясын төмендетеді, бірақ осы тұрғыдан алғанда ол теріс энергиялы объектіні жарату арқылы оны төмендетеді. Бұл қайта интерпретация философияға ғана әсер етеді. Вакуумда жою нөлді беретін ережелерді қайта жасау үшін, теріс энергиялы күйлер үшін «бос» және «толы» ұғымдарын кері ауыстыру қажет. Бұл антибөлшектері жоқ күйлер емес, кері энергиялы бөлшектермен толы күйлер. Мұның бағасы – белгілі бір өрнектерде біркелкілік болмауы, себебі жоюды жаратумен алмастыру теріс энергиялы бөлшектер санына тұрақты шаманы қосады. Ферми өрісі үшін сан операторы: егер N-ді 1-N-мен теріс энергиялы күйлер үшін алмастырса, энергия және заряд тығыздығы сияқты шамалар тұрақты түрде өзгереді, бұл шамалар бөлшектердің жалпы санын есептейді. Шексіз тұрақты Дирак теңізіне шексіз энергия мен заряд тығыздығын береді. Вакуумдағы заряд тығыздығы нөл болуы керек, себебі вакуум Лоренц инвариантты, бірақ Дирактың суретінде оны реттеу үшін бұл жасанды. Бұл қазіргі заманғы интерпретацияға өту арқылы іске асырылады. Дирактың идеясы қатты дене физикасына тікелей қатысты, онда қатты дененің валенттік жолағы электрондардың «теңізі» ретінде қарастырылуы мүмкін. Бұл теңізде шындығында тесіктер болады және олар жартылай өткізгіштердің әсерін түсіну үшін өте маңызды, бірақ оларды ешқашан «позитрондар» деп атамайды. Бөлшектер физикасынан айырмашылығы, теңіздің электр зарядын жоятын иондық тордың заряды бар.
An operator with negative frequency lowers the energy of any state by an amount proportional to the frequency, while operators with positive frequency raise the energy of any state. In the modern interpretation, the positive frequency operators add a positive energy particle, adding to the energy, while the negative frequency operators annihilate a positive energy particle, and lower the energy. For a fermionic field, the creation operator gives zero when the state with momentum k is already filled, while the annihilation operator gives zero when the state with momentum k is empty. But then it is possible to reinterpret the annihilation operator as a creation operator for a negative energy particle. It still lowers the energy of the vacuum, but in this point of view it does so by creating a negative energy object. This reinterpretation only affects the philosophy. To reproduce the rules for when annihilation in the vacuum gives zero, the notion of "empty" and "filled" must be reversed for the negative energy states. Instead of being states with no antiparticle, these are states that are already filled with a negative energy particle. The price is that there is a nonuniformity in certain expressions, because replacing annihilation with creation adds a constant to the negative energy particle number. The number operator for a Fermi field is:
which means that if one replaces N by 1−N for negative energy states, there is a constant shift in quantities like the energy and the charge density, quantities that count the total number of particles. The infinite constant gives the Dirac sea an infinite energy and charge density. The vacuum charge density should be zero, since the vacuum is Lorentz invariant, but this is artificial to arrange in Dirac's picture. The way it is done is by passing to the modern interpretation. Dirac's idea is more directly applicable to solid state physics, where the valence band in a solid can be regarded as a "sea" of electrons. Holes in this sea indeed occur, and are extremely important for understanding the effects of semiconductors, though they are never referred to as "positrons". Unlike in particle physics, there is an underlying positive charge—the charge of the ionic lattice—that cancels out the electric charge of the sea.
Себептік фермиондық жүйелер теориясының қайта жаңғыруы
Дирактың бөлшектер теңізі туралы бастапқы идеясы себептік фермиондық жүйелер теориясында қайта жандандырылды, бұл – бірыңғай физикалық теорияға қатысты жақындағы ұсыныс. Осы тәсілде Дирак теңізінің шексіз вакуумдық энергиясы және шексіз заряд тығыздығы мәселелері жоғалады, себебі бұл айырмашылықтар себептік әрекет принципі арқылы құрастырылған физикалық теңдеулерде жойылады. Бұл теңдеулерге алдын ала кеңістік-уақыт қажет болмайды, соның арқасында кеңістік-уақыт және оның құрамындағы барлық құрылымдар теңіз күйлерінің бір-бірімен және теңіздегі қосымша бөлшектермен, сондай-ақ "бос орындармен" өзара әрекеттесуі нәтижесінде туындайды деген ойды іске асыруға болады.