Kousek historie: Dirac a jeho moře

Velkým tématem vědeckých debat, na němž se ve 20. letech 20. století rozvíjely nejrůznější hypotézy, byla podoba atomu a subatomárních částic. Zkoumání radioaktivity na počátku století otevřelo fyzice úplně nový svět neznámých zákonitostí.

Téměř každý význačný fyzik meziválečné éry představil svůj vlastní model fungování atomů. Za asi nejuznávanější z hlediska dobového pojetí byl pokládán model Nielse Bohra z roku 1913. Jeho základ tvořilo stabilním atomové jádro, kolem něhož obíhají po kružnicích elektrony (dodnes je takto atom laicky znázorňován).

Bohrův model se těšil velkému uznání, třebaže experimentálními výsledky se prokázal pouze u atomu vodíku. Odmítali jej v zásadě výrazně dva fyzikové, Werner Heisenberg a Paul Dirac. Nebyli však schopni přijít s alternativní teorií o uspořádání atomu, a tak se rozhodli porušit zavedený vědecký postup tím, že nejprve popíší podobu atomu jen matematicky, a z matematických pravidel zkusí zpětně odvodit strukturu.

V roce 1928 uskutečnil první průlom v této cestě Paul Dirac, když odvodil kvantovou relativistickou rovnici, s jejíž pomocí chtěl vysvětlit pohyb atomů. K tomuto účelu ale nefungovala. Zpětnými experimenty se nicméně zjistilo, že je velmi vhodná pro popis pohybu elektronu. Oproti tehdy užívané Kleinově-Gordonově funkci měla dvě výhody: V Diracově rovnici se zadává vlnová funkce a odpadá nutnost jejich derivací, a jejím výsledkem je kladná pravděpodobnost umístění elektronu.

Vědecká komunita však vůči Diracově rovnici vznesla jednu námitku. Občas se podle ní vyskytují místa, kde vychází elektron se záporným energetickým stavem. Paul Dirac formuloval vcelku revoluční vysvětlení, k němuž ho inspiroval počátek jeho cesty k sestavení této rovnice. V září 1926 získal od univerzity v Cambridge roční stipendium na výzkumný pobyt na kontinentu. Původně plánoval jet do Göttingenu a spolupracovat s Heisenbergem na matematickém popisu atomu, ale jeho nadřízený Fowler po něm vyžadoval, aby jel za Nielsem Bohrem do Kodaně a konfrontoval své teze s jeho.

Dirac a Fowler se nakonec dohodli na kompromisu, že stipendijní cestu rozdělí na šest měsíců u Bohra a šest měsíců u Heisenberga, mezi nimiž občas navštíví i ostrovy. Dirac se rozhodl začít svůj výzkumný výjezd v Kodani, protože se chtěl vypořádat s námitkami vůči svému přístupu dřív, než zahájí práci na matematickém popisu.

Na rozdíl od cesty do Německa, která by vyžadovala přeplutí kanálu a poté jízdu železnicí, se do Kodaně jezdilo lodí. Dirac strávil 16 hodin na rozbouřeném Severním moři převážně tím, že zvracel na palubě. Ale to jej údajně přivedlo k dvěma myšlenkám. První z nich byla, že se mořské nemoci zbaví nejlépe tím, že bude opakovaně plout na rozbouřeném moři, čímž si na tento stav zvykne. (Během roku skutečně pendloval mezi Kodaní a severním Německem zásadně lodí.)

Druhý nápad přinesl důležitý zvrat. Dirac si uvědomil, že záporné energetické stavy, které vycházejí z jeho rovnic, nejsou chybou v teorii. Záporné stavy jsou tvořeny shlukem elektronů, kterých je nekonečné moře, v němž žádný není volný a ojedinělý, proto jej nemůžeme pozorovat. V Diracově moři elektronů však může mezi ně vletět foton s dvojnásobkem energie klidového stavu elektronu, tím jej vytrhne a převede do energetického stavu s kladnou energií - jako když nárazem větru vyšplouchne voda z moře na palubu. Od skutečného moře se to Diracovo liší detailem - v elektronovém moři zůstane díra, prázdný stav, který je vidět jako oblast s kladnou energií.

Dirac tuto "díru" s vlastnostmi elektronu pojmenoval "pozitron". I tato mezera však interaguje s blízkými elektrony. Z větší vzdálenosti jej však jiné elektrony odstíní a není zřetelný. Skoro jako když se cosi vhodí do moře a v jeho celku to nezanechá stopu. Celkovou teorii dokončil v roce 1928 a o rok později rozšířil svůj popis na všechny částice, když do fyziky vnesl pojem "antičástice", objektu s opačnými hodnotami kvantových nábojů.

Diracova teorie pozitronu znamenala přelom. V době jejího zveřejněné dosud nebyl objeven ani neutron a i existence protonu nebyla vědci přijímána zcela bez výhrad. Svými tezemi určil experimentální fyzice jasný směr příštích experimentů. V roce 1932 byly pozitrony objeveny v analýzách kosmického záření Carlem Andersonem, čímž byla zahájena nová kapitola v dějinách fyziky - hon na subatomární částice a antičástice - který trvá dosud.

Zdroj: Farmelo, Graham. The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac (Basic Books, 2009).

Zdroj fotografie: JOC/EFR/Wikimedia Commons/