'Fizikteki en büyülü denklem': Paul Dirac yanlışlıkla antimaddenin garip dünyasını nasıl ortaya çıkardı?

'Fizikteki en büyülü denklem': Paul Dirac yanlışlıkla antimaddenin garip dünyasını nasıl ortaya çıkardı?

İngiliz teorik fizikçi Paul Dirac, kuantum fiziğinin ilk günlerindeki en önemli figürlerden biriydi ve Erwin Schrödinger ile birlikte 1933'te Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. "güzel matematik" için ve bunu yaparken en büyük başarılarından biri haline gelecek olan şeyi formüle etti - Dirac denklemi.

Yazar Marcus Chown, "'Bilmeniz Gereken Tek Şey'" adlı kitabının Antimadde bölümünden alınan bu alıntıda, Dirac'ın alışılmadık yöntemlerinin ve tavırlarının çevremizdeki dünyayı oluşturan temel fiziği anlamamıza nasıl rehberlik ettiğini açıklıyor.

Doğa, temel yapı taşlarının sayısını ikiye katlamayı seçti. Her atom altı parçacık için, elektrik yükü gibi karşıt özelliklere sahip bir "karşı parçacık" vardır. 1927'den önce hiç kimse böyle bir "antimadde" dünyasının var olduğuna dair en ufak bir şüpheye sahip değildi. Ancak o yıl İngiliz fizikçi Paul Dirac, ışık hızına yakın bir hızda hareket eden bir elektronu tanımlayan bir denklem yazdı ve bunun tuhaf bir şey içerdiğini fark etti.

Dirac, atomların ve bileşenlerinin mikroskobik altı dünyasının devrim niteliğindeki tanımı olan kuantum teorisinin öncülerinden biriydi. Teori, yirminci yüzyılın ilk çeyreğinde yapılan deneylerde ortaya çıkan dünyanın çelişkili görünen iki özelliğini uzlaştırdı: atomların ve benzerlerinin hem yerel parçacıklar hem de yayılan dalgalar olarak davranma yeteneği. 1926'da Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger bunu, uzayda yayılan kuantum olasılık dalgalarını tanımlayan Schrödinger denkleminde özetledi.

Schrödinger denklemiyle ilgili sorun, yirminci yüzyıl fiziğinin diğer devrimini içermemesidir. Einstein, 1905'teki özel görelilik kuramında, kütlesi olan bir cisim ışık hızına yaklaştıkça uzay ve zamanda garip şeyler olduğunu gösterdi. Schrödinger denklemi, küçük bir atomdaki bir elektronu tarif ederken gayet iyi çalışıyor olsa da, çekirdekteki yalnızca bir avuç protonun elektrik kuvveti onun ışık hızından çok daha düşük bir hızda yörüngede dönmesine neden oluyor; çekirdekteki protonlar ve bir elektron kozmik hız sınırına yakın bir hızla kendi etrafında dönerken, denklem bozulur. İhtiyaç duyulan şey, özel görelilik kuramıyla uyumlu - göreli - bir denklemdi ve Dirac da bunu bulmaya koyuldu.

Dirac, bugün muhtemelen otizm spektrumunda olduğu teşhis edilecek garip bir adamdı. Uzun boylu, sıska ve bir sopa böceğini andıran onun alışkanlığı, tüm hafta boyunca çok çalışmak ve Pazar günleri, takım elbisesini ve kravatını giymiş olarak uzun ağaçlara tırmandığı Cambridge çevresindeki kırsalda uzun yürüyüşler yapmaktı. O, fiziğin Bay Spock'ıydı. Derslerinden birinde bir öğrenci elini kaldırıp "'Profesör Dirac, tahtadaki denklemi anlamıyorum" dediğinde, "'Bu bir soru değil, bir yorum'" yanıtını vermiş ve devamına devam etmiştir. ders.

Dirac'ın fiziğe yaklaşımı, karakterinden daha az tuhaf değildi. Diğer fizikçiler, tarif etmek istedikleri fenomenlerin günlük benzerlerini ararken ve bunu daha sonra matematiksel bir denklemle özetlemeye çalışırlarken, Dirac bir kalem ve kağıtla oturup bir denklemin şeklini tahmin etme cesaretini gösterdi. Dirac, "Denklemlerle oynamayı sevdiğim, belki de hiçbir fiziksel anlamı olmayan güzel matematiksel ilişkileri aramak benim tuhaflığım," dedi. "Bazen yaparlar."

Dirac, Kasım 1927'nin sonlarında St. John's College'daki sade odalarında "güzel matematik" ararken, Dirac denklemi olarak bilinen şeyi tam anlamıyla yoktan var etti. Bugün, Londra'daki Westminster Abbey'in zeminindeki kaldırım taşlarına yazılmış iki denklemden biridir. Diğeri ise Stephen Hawking'in bir kara deliğin sıcaklığı denklemi. Amerikalı fizikçi Frank Wilczek (Graham Farmelo'nun "It Must Be Beautiful: Great Equations Of Modern Science" adlı kitabında (Granta, 2003)) "Fizikteki tüm denklemler arasında belki de en sihirli olanı Dirac denklemidir" diyor. "En özgürce icat edilmiş, deneyle en az şartlandırılmış, en garip ve en şaşırtıcı sonuçlara sahip olanıdır."

Dirac, göreli bir elektronun enerjisi gibi özelliklerini yalnızca bir sayı ile tanımlamanın imkansız olduğunu bulmuştu, bu nedenle matris olarak bilinen ikiye ikilik bir sayı tablosu kullanmak zorunda kaldı. Bu "ikilik", elektronun şaşırtıcı bir özelliğini açıklıyordu. Deneyler, parçacığın iki yoldan biriyle dönüyormuş gibi davrandığını ortaya çıkardı: saat yönünde veya saat yönünün tersine. Ancak bir elektron gerçekten dönüyorsa, davranışı ancak ışıktan daha hızlı dönüyorsa anlaşılabilirdi ki bu Einstein'a göre imkansızdı. Fizikçiler, bir elektronun "dönüşünün" tamamen yeni bir şey olduğu sonucuna varmak zorunda kaldılar. Bu, günlük dünyada benzeri olmayan içsel bir kuantum özelliğiydi. Ve işte burada, diye gördü Dirac, yazdığı formülden davetsizce fırlayıp çıkıyordu. Dirac, "Denklemim sadece bir elektron için gereken özellikleri veriyordu" dedi. "Bu benim için gerçekten beklenmedik bir bonustu, tamamen beklenmedik." Amerikalı fizikçi John Hasbrouck Van Vleck'e göre, Dirac'ın elektronun dönüşüne ilişkin açıklaması, "bir sihirbazın ipek şapkadan tavşan çıkarmasına" benziyordu.

Döndürmek tuhaftı. Ancak Dirac'ın denkleminden ortaya çıkan başka bir yön daha da tuhaftı. Dirac denklemini yazdığında, mekanizmasının garip bir şekilde kopyalandığını fark etti. Yalnızca negatif yüklü bir elektronu değil, aynı zamanda pozitif yüklü bir elektronla aynı kütleye sahip bir parçacığı da tanımlıyor gibi görünüyordu. O zamanlar sadece üç atom altı parçacık biliniyordu: atomun çekirdeğindeki proton; çekirdeğin yörüngesinde dönen elektron; ve foton, ışık parçacığı. Başka birine gerek yok gibiydi. Werner Heisenberg ve Wolfgang Pauli gibi dönemin büyük fizikçileri bile Dirac denkleminin yanlış olması gerektiğini düşündüler. Ancak Cambridge'den 8.000 kilometre uzakta yapılan bir deneyin daha sonra göstereceği gibi, Dirac haklıydı ve onlar haksızdı.

1932'de Pasadena'daki California Institute of Technology'de Amerikalı bir fizikçi olan Carl Anderson, uzaydan gelen son derece yüksek enerjili parçacıklar olan kozmik ışınları anlamaya çalışıyordu. Atmosferdeki atomlara çarparak elektronlarını dışarı atmalarını bekliyordu. Fırlatılan bu tür elektronların enerjisini ölçebilseydi, kozmik ışınların enerjisini kontrol edebileceğini düşündü. Bu amaçla, elektronları bükmek için son derece güçlü bir manyetik alan kullandı ve eğer yüksek enerjiye sahiplerse ve bu nedenle hızlı hareket ediyorlarsa, manyetik alanının yakınında çok az zaman harcayacakları ve daha az keskin bir şekilde bükülecekleri sonucuna vardı. enerji ve orada daha fazla zaman geçirdim.

Anderson, elektronlarını bir "bulut odası" aracılığıyla görünür hale getirdi. Cihazın içinde, elektron izleri boyunca minik su damlacıkları izleri oluştu ve bu izleri fotoğraflayabildi. 2 Ağustos 1932'de Anderson bir fotoğraf plakası geliştirdi ve manyetik alan tarafından bir elektronun tersi yönde bükülen bir elektron kütlesinin bir parçacığını görünce şaşırdı. Dirac'ın kehaneti hakkında hiçbir şey bilmiyordu. Yine de, Dirac'ın pozitif yüklü elektronuna, hemen "pozitron" adını verdiği bir parçacığa rastlamıştı.

Kaynak: Live Science