30-1 Pozitrón, antičastica elektrónu

30-1 Pozitrón, antičastica elektrónu

K výstavbe univerza mala jadrová fyzika v začiatkoch len pár častíc na zozname, a zoznam bol skutočne krátky: elektrón, protón, fotón. Svet takto „jednoduchý“ pripadal ešte aj v roku 1932, keď sa na zoznam dostal neutrónu. Tri roky predtým, v roku 1929, už tento obraz „zakalil“ anglický fyzik P.A.M. Dirac¹, keď sa pokúsil základné princípy kvantovej mechaniky zosobášiť s Einsteinovou špeciálnou teóriou relativity. Na základe naproste abstraktných teoretických úvah dospel k presvedčeniu, že okrem „riadnych“ elektrónov, ktoré obiehajú okolo jadra atómu, či ktoré vykonávajú svoje dielo vo výbojovej trubici, musia existovať aj „mimoriadne“ elektróny, ktoré vypĺňajú rovnomerne to, čomu hovoríme prázdny priestor. Podľa Diraca, každý malý objemový element vákua vypĺňajú v ňom nahusto naukladané „mimoriadne“ elektróny, ktorých prítomnosť však nie je možné detegovať žiadnym zariadením. Riadne elektróny, ktoré skúmajú fyzici, a ktoré využívajú elektroinžinieri, sú tie „nadbytočné“ elektróny, ktoré do nahusto zaplneného Diracovho mora „mimoriadnych“ elektrónov nezapadnú, čo je súčasne aj príčinou toho, prečo ich registrujeme. Ak niet takého „prekypenia“ niet ani čo registrovať, len to, čo nazývame prázdnym priestorom, vákuom.

Okrem toho, že podľa Diracovej teórie, mimoriadne elektróny nemôžeme detegovať žiadnym prístrojom, tieto mimoriadne elektróny majú aj tú vlastnosť, že majú zápornú hmotnosť m, a je záporná aj ich pokojová energia E = mc2 – a pokiaľ sa pohybujú, je záporná aj ich kinetická energia.

V dôsledku rovnomerného rozdelenia mimoriadnych elektrónov v Diracovom mori, je toto more pre nás neviditeľné, neregistrovateľné, ani jeho elektrický náboj, ani jeho elektrické pole. Čo sa však stane, ak z  Diracovho mora jedna častica chýba, jeho miesto v mori nie je zaplnené, je tam „diera“ (obr. 30.1)? V mori rovnomerne rozmiestnených záporne nabitých častíc táto diera znamená chýbajúci záporný náboj elektrónu a chýbajúcu zápornú hmotnosť elektrónu, čo je rovnocenné prítomnosti kladného náboja a kladnej hmotnosti – veľkosť náboja je ako u elektrónu a veľkosť hmotnosti tiež. Inými slovami, javí sa ako častica s opačným elektrickým nábojom ako elektrón (teda s elektrickým nábojom e), a s rovnakou hmotnosťou, ako elektrón (teda s hmotnosťou m > 0). Situácia sa veľmi podobá tomu, čím sme sa stretli pri polovodičoch, kde polovodič bol rovnomerne vyplnený elektrónmi, až na niektoré miesta, kde bola „diera“, ktorá sa chovala ako častica s kladným nábojom – ich pomocou sme úspešne vysvetlili vodivostné vlastnosti polovodičov, aj vlastnosti prechodov medzi nimi. V prípade polovodičov, na základe predstavy elektrických vlastností sme si úlohu dier vedeli dobre pochopiť. V prípade Diracovho mora táto predstava Diracových dier ale patrí k  abstraktnejšej predstave fyzikálneho sveta. Diracov oceán nás obklopuje zo všetkých strán, aj my existujeme priamo v ňom – vo všetkých smeroch siaha do nekonečna a nedá sa registrovať. V  určitom zmysle Diracova predstava priniesla naspäť v inej podobe starodávnu predstavu éteru, ktorá preniká všetkým a je prítomná všade.

Diracov článok, v rokoch po jeho publikovaní, veľmi silno kritizovali. Tieto kritiky však v roku 1932 boli uťaté, akoby naraz, keď Carl Anderson potvrdil priamym pozorovaním existenciu novej častice, ktorú Diracova teória predpovedala. Táto častica má kladný elektrický náboj e, rovnako veľký ako záporne nabitý elektrón (− e), a má rovnakú hmotnosť ako elektrón: túto časticu nazývame antielektrón, pozitívny elektrón, alebo len jednoducho pozitrón.