نظریه «مکانیک کوانتومی نسبیتی» چه می‌گوید؟

بيگ بنگ/ معادله بزرگي که به صورت بندي سازگارترکيب دو نظريه ي بزرگ کوانتوم و نسبيت خاص توفيق يافت، معادله نسبيتي الکترون بود که پل ديراک در سال ۱۹۲۸ آن را کشف کرد. ديراک معادله خود را فقط با توجه به نظريه کوانتوم و ناوردايي نسبيتي بدست آورد. بنابراين هنگامي که پي برد پيش بيني هاي معادله درباره خواص الکترومغناطيسي الکترون نشان مي دهد که برهم کنش هاي مغناطيسي الکترون، دو برابر بيشتر از محاسبه بر مبناي تلقي الکترون به صورت فرفره اي مينياتوري، با بار الکتريکي چرخان است، يقينا برايش موجب شگفتي توام با خشنودي بود. به طور تجربي فيزيکدانان مي دانستند که چنين است، اما هيچکس نمي توانست بفهمد چرا اين رفتار غيرعادي بايد چنين باشد. اين معادله، حالت هاي انرژي مثبت را از نوعي که بايد با رفتار الکترون هاي واقعي متناظر شوند، مجاز مي کرد، اما حالت هاي انرژي منفي را نيز مجاز مي شمرد. حالت هاي انرژي منفي معناي فيزيکي نداشت، اما نمي شد آنها را کنار گذاشت. زيرا اصول مکانيک کوانتوم به ناگزير پيامد فاجعه بار گذار به آنها از حالت هاي انرژي مثبت را که از نظر فيزيکي پذيرفتني اند، ممکن مي سازد. براي مدتي اين معما همه را آشفته کرد، اما ديراک پي برد که ممکن است آمار فرمي الکترون ها راهي براي برون رفت از اين بن بست ارائه کند. او فرض کرد که تمام حالت هاي انرژي منفي قبلا اشغال شده اند. در اين حال ،اصل طرد امکان ِ گذار به آنها را از حالت هاي انرژي مثبت از ميان مي برد. آنچه فضاي تهي مي پنداشتند در واقع با اين درياي الکترون هاي انرژي منفي پر شده بود! اين تصويري غريب مي باشد. فيزيکدانان اصلا تصور نمي کردند که وجود نوع جديد و ناشناخته ذره را مطرح کنند و بنابراين در ابتدا فرض شد اين ذره مثبت که ديراک از آن سخن مي گويد شايد همان پروتون با بار مثبت باشد، اما اندکي بعد دريافتند که حفره بايد همان جرم الکترون را داشته باشد، در حالي که پروتون بسيار سنگين تر است. به اين ترتيب تنها تعبير پذيرفتني از اين پيشنهاد، به پيش بيني غريب ذره اي جديد انجاميد که آن را پوزيترون ناميدند که هم جرم الکترون است اما با بار مثبت. پس از مدت کوتاهي با کشف پوزيترون در پرتوهاي کيهاني، وجود آن از نظر تجربي هم تاييد شد. در واقع هم ماده مانند الکترون و هم پادماده با بار مخالف مانند پوزيترون وجود دارد. معادله نبوغ آساي ديراک که هم به تبيين خواص مغناطيسي و هم به کشف پادماده انجاميد، مباحثي که در انگيزه ي اصلي براي يافتن معادله هيچ نقشي نداشتند، مثالي است برجسته از ارزش دراز مدتي که ايده ي به راستي بنيادي علمي مي تواند از خود به نمايش بگذارد. اين باوري شايان ذکر است که فيزيکدانان را متقاعد مي کند که به راستي دارند کاري مي کنند و برخلاف گفته فيلسوفان فقط به طور ضمني با ديدن چيزها به شيوه اي خاص موافقت نمي کنند. در عوض، درباره ي اين که جهان واقعا چگونه است به کشف هايي دست مي زنند. معادله ديراک يکي از زيباترين و عميق ترين معادلات در فيزيک است.