ДЫРОК ТЕОРИЯ ДИРАКА

ДЫРОК ТЕОРИЯ ДИРАКА

- теоретич. модель вакуума физического, предложенная в 1930 П. А. М. Дираком (P. A. M. Dirac) для устранения трудностей релятивистской квантовой теории электрона (см. Дирака уравнение); привела к предсказанию существования античастиц, процессов рождения пар и их аннигиляции и т. д., а также к представлению о вакууме как об особом типе материальной среды (см. Поляризация вакуума). Полная система решений ур-ния Дирака содержит наряду с имеющими физ. смысл состояниями с положит. энергией Eтакже и отделённые от них энергетич. щелью D состояния с отрицат. энергией (в частности, для свободной частицы с массой т и импульсом р энергия ). Это ведёт к ряду следствий, противоречащих опыту: нестабильности физ. состояния с E>0 за счёт переходов частицы в состояния с E<0, "самоускорению" взаимодействующих частиц разного знака энергии и т. д. Безуспешность попыток избавиться от состояний с E<0 для одночастичного ур-ния Дирака заставила пересмотреть само понятие вакуума как состояния, в к-ром нет частиц. Это и привело к Д. т. Д. Её идея была подсказана квантовой теорией валентности, в соответствии с к-рой заполненные электронные оболочки атомов в хим. смысле ненаблюдаемы, а проявляет себя лишь избыток или недостаток электронов по отношению к таким оболочкам. Первоначально Д. т. Д. формулировалась применительно к электрону, но затем была распространена на др. типы ферми-частиц (мюон, нуклон и др.). Её основу составляют след. постулаты: а) В состоянии вакуума все уровни с E<0 заполнены частицами, а все уровнис E>0 свободны. Такое распределение частиц считается ненаблюдаемым (несмотря на бесконечную величину его плотности энергии, плотности заряда и т. д.), играя роль начала отсчёта для физ. величин. Поэтому наблюдаемое значение физ. величины А для к.-л. системы равно разности А (система + вакуум) - А (вакуум), б) Заполненный уровень с E>0 воспринимается наблюдателем как частица, а свободный уровень ("дырка") с E<0 - как античастица. Дырке в электронном вакууме соответствует позитрон (массы античастицы и дырки равны, а заряды равны и противоположны по знаку), в) Фотон с энергией, большей D, способен возбуждать вакуум, переводя частицу из состояния с E<0 в состояние с E>0. Это соответствует процессу рождения пары частица-античастица. Их аннигиляция отвечает переходу частицы из состояния с E>0 в свободное состояние с E<0, сопровождаемому излучением фотона. <Д. т. Д. устранила трудности одночастичного ур-ния Дирака (в частности, стабильность физ. состояния частицы связана с тем, что её переход в состояния с E<0 запрещён принципом Паули). Все следствия Д. т. Д.- как качественные (существование античастиц, процессы рождения и аннигиляции пар, поляризация вакуума), так и многие количественные подтвердились экспериментально. <В аппарате совр. квантовой теории поля Д. т. Д. в её первонач. форме не используется (за исключением относительно редких применений, напр., для наглядного расчёта нелинейных вакуумных эффектов; см. Лагранжиан эффективный). Применяются более компактные формулировки, равноценные Д. т. Д.: лагранжиан в виде нормального произведения операторов поля в сочетании с требованием перекрёстной симметрии, Грина функции с возвратным во времени движением частицы и др. <Физ. картина, отвечающая Д. т. Д., и сходный матем. аппарат используются в физике полупроводников, где аналогом областей E<0 и E>0 служат соответственно валентная зона и зона проводимости, аналогом D - ширина разделяющей их запрещённой зоны, аналогом рождения пар фотонами - рождение частиц и дырок под действием световой накачки. Связанному состоянию электрона и дырки - экситону соответствует в физике высоких энергий позитроний - связанное состояние электрона и позитрона. В 1968 была предсказана и в 70-х гг. обнаружена новая форма вещества - электронно-дырочная жидкость. Соответствующий аналог в физике высоких энергий - самосвязанная относительно плотная система электронов и позитронов в присутствии световой накачки - пока неизвестен. Лит.: Дирак П. А. М., Теория позитрона, в кн.: Атомное ядро, Л.- М., 1934; его же, Развитие квантовой теории, "Природа". 1972, № 3, с. 68. Д. А. Киржниц.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.