مورد شگفت پل دیراک

پل دیراک با ترکیب نسبیت خاص و نظریه‌ی کوانتومی در سال ۱۹۲۹ به معادله‌ی نسبیتی الکترون دست یافت. این معادله رفتارهایی از الکترون را پیش‌بینی می‌کرد که آزمایش‌ها آن را کاملاً تایید می‌کردند. اما این موفقیت بزرگ رویه‌ی دیگری نیز داشت؛ نظریه‌ی او حالت‌هایی با انرژی منفی را نیز مجاز می‌دانست که اصلاً قابل پذیرش نبود. دیراک که به نظریه‌ی خود باور داشت، برای حل این مشکل به «اصل طرد پائولی» متوسل شد و این فرض جسورانه را مطرح کرد که تمام حالت‌هایی که انرژی منفی دارند در واقع توسط الکترون‌هایی اشغال شده‌اند، الکترون‌هایی که به همین دلیل بخشی از طبیعت نیستند. یعنی در ورای طبیعت دریایی از الکترون‌های باانرژی منفی وجود دارد. دیراک تخیل خودش را به این دریا معطوف کرد. با یک فوتون پرانرژی می‌توانیم الکترونی با انرژی منفی را از این دریا بیرون بکشیم و آن را به یک الکترون معمولی، با انرژی مثبت، تبدیل کنیم. اما این حفره‌ای که در دریای منفی ایجاد شده چیست؟ نبود انرژی منفی به معنی وجود انرژی مثبت است، بنابراین حفره طوری رفتار می‌کند که انگار ذره‌ای با انرژی مثبت است. از طرف دیگر نبود بار منفی به معنی وجود بار مثبت است، پس این «حفره-ذره» برخلاف الکترون بار مثبت دارد. این «حفره-ذره» که موجودی طبیعی، با جرمی برابر الکترون، اما با بار الکتریکی مثبت بود، پوزیترون نامیده شد. دیری نگذشت که با کشف پوزیترون در پرتوهای کیهانی نظر دیراک تایید تجربی یافت. پوزیترون نمونه‌ای است از آن‌چه امروز پادماده نامیده می‌شود. به این دلیل آن را پادماده می‌نامیم که یک الکترون و یک پوزیترون می‌توانند هم‌دیگر را نابود کنند و با از میان رفتن آن‌ها انرژی زیادی آزاد شود. به زبانِ تخیل دیراک، الکترون یک حفره‌ی درون دریا را پر می‌کند و انرژی به صورت تابش آزاد می‌شود. به عکس، یک فوتون پرانرژی می‌تواند الکترونی را از دریا بیرون براند و حفره‌ای برجای بگذارد، و به این صورت یک زوج الکترون-پوزیترون به وجود آورد.