• «هرگاه خودتان را با اکثریت یافتید، وقت آن رسیده که اندکی درنگ و تأمل کنید.» مارک تواین

پل دیراک؛ نابغه کم حرف، پیشگوی پادماده و پیشگام الکترودینامیک کوانتومی

پل دیراک؛ نابغه کم حرف، پیشگوی پادماده و پیشگام الکترودینامیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی در تاریخ علم به قصری شکوهمند از دانش می‌ماند که توسط جمعی از خلاق‌ترین اذهان بشری قرن بیستم بناشده است. هر یک از آن‌ها در این بنای عظیم سهمی درخور دارند و داستان جستجوی علمی هرکدامشان جاذبه‌های خاص خود را دارد. امروز ۱۷ مرداد (هشتم اوت) تولد پل دیراک است. نابغۀ خلاقی که باوجود نقش بی‌بدیلش در شکل‌گیری و توسعۀ مکانیک کوانتومی، حداقل در کشور ما، کمتر به او پرداخته‌شده است.

دو سال پس از کشف خاصیت کوانتایی و ناپیوستۀ انرژی توسط ماکس پلانک و سه سال قبل از اینکه آلبرت اینشتین از این یافته در نظریه فوتوالکتریک خود استفاده کند، در هشتم اوت (۱۷ مرداد) ۱۹۰۲ در شهر بریستول انگلیس کودکی به دنیا آمد که قرار بود نقشی اساسی در تکامل فیزیک در قرن بیستم بازی کند. او کسی نبود جز پل آدرین موریس دیراک (Paul Adrien Maurice Dirac ) که تحصیلات دانشگاهی خود را با مهندسی الکترونیک آغاز کرد اما پس از دریافت مدرک مهندسی به مبحث در حال زایش مکانیک کوانتومی جلب شد. مکانیک کوانتومی هنوز علمی در حال تولد و توسعه بود و او اولین دانشجویی بود که با رساله‌ای دربارۀ مکانیک کوانتومی دکترای خود را در ریاضیات در سال ۱۹۲۶ از دانشگاه کمبریج دریافت کرد و سپس در کپنهاگ و گوتینگن تحقیقات خود را ادامه داد. تنها دو سال پس از دریافت دکترا بود که دیراک به کشف بزرگ خود نائل شد.

به‌سوی معادلۀ نسبیتی برای الکترون

دهه سی قرن بیستم دوران شکوفایی مکانیک کوانتومی بود. در سال ۱۹۲۵ ورنر هایزنبرگ مکانیک ماتریسی‌اش را برای توصیف رفتار الکترون‌ها ارائه داده و یک سال پس‌ازآن اروین شرودینگر معادلۀ معروف خود را منتشر کرده بود. اما دیراک با بررسی این معادله به نواقصی در آن پی برد. ازیک‌طرف معادله شرودینگر قادر به توصیف رفتار الکترون در سرعت‌های زیاد نبود. مفهوم چنین نقصانی این بود که معادله مذکور نمی‌توانست نظریه نسبیت خاص اینشتین را در خود بگنجاند. از طرف دیگر معادله شرودینگر قادر به پیش‌بینی اسپین (یک ویژگی کوانتومی) ذرات نبود و اسپین باید به‌صورت دستی در پاسخ‌های معادله وارد می‌گردید. تلاش دیراک برای رفع این نواقص منجر به کشف معادلۀ جدیدی شد که نتایج پرباری را برای مکانیک کوانتومی به همراه داشت.

اصلاح خطای اینشتین

دیراک در مسیر توسعۀ معادلۀ خود پی برد که فرمول معروف هم‌ارزی جرم و انرژی اینشتین E=MC^2 یک بیان ناقص از واقعیت است و شکل درست آن به‌صورت E=(+/-)MC^2 خواهد بود. اینشتین نیز به این پاسخ رسیده بود اما او انرژی منفی را مفهومی بی‌معنا دانست و بنابراین پاسخ منفی را از معادله حذف کرد. لحاظ انرژی منفی در معادله دیراک باوجود این اصل موضوع در فیزیک که «اشیاء همواره به حالتی با کمترین میزان انرژی تمایل دارند» به این معنا بود که طبق معادله دیراک تمام الکترون‌ها درنهایت به انرژی منفی نامتناهی گرایش پیدا می‌کنند و این به معنای ناپایداری جهان بود. اما دیراک برای حل این مشکل نیز راه‌حلی خلاقانه ارائه کرد که نتایج جانبی شگفت‌انگیزی را به ارمغان آورد.

پیشگویی وجود پادماده

دیراک این احتمال را بررسی کرد که ممکن است پرتوی مثل گاما به الکترونی که در حالت انرژی منفی در دریای الکترون قرار دارد، برخورد کرده و آن را به حالت انرژی مثبت پرتاب کند. در این صورت پرتوگاما به الکترون تبدیل می‌شود و در دریای دیراک یک چاله ایجاد می‌شود. این چاله مثل حبابی در خلأ عمل کرده و به‌صورت الکترونی با بار مثبت پدیدار می‌شود. یعنی این چاله مثل یک پاد الکترون (ضد الکترون) عمل می‌کند.

بدین ترتیب دیراک پیش‌بینی کرد که ممکن است پادماده‌ها یا پادذره‌ها وجود داشته باشند. او مقالۀ شامل این پیش‌بینی را در سال ۱۹۳۰ منتشر کرد و فقط یک سال پس‌ازآن بود که فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون در هنگام تحقیق بر روی پرتوهای کیهانی موفق به کشف پادذرۀ الکترون یعنی پوزیترون شد. پوزیترون همان جرم و اسپین الکترون را دارد اما دارای بار مثبت است. الکترون و پوزیترون پس از برخورد با یکدیگر نابودشده و از برخورد آن‌ها دو فوتون به وجود می‌آید.

نابغۀ کم‌حرف

دیراک شخصیتی منزوی و کم‌حرف بود. او به‌ندرت حرف می‌زد به‌طوری‌که همکارانش قادر بودند کلمات او در طول روز را بشمارند. دوستانش در دانشگاه کمبریج داستانی با این مضمون ساخته بودند که پس از یک بررسی آماری دقیق به این نتیجه رسیده‌اند که دیراک به‌طور میانگین در هر ساعت فقط یک کلمه حرف می‌زند! در سال ۱۹۳۳ جایزه نوبل فیزیک برای ابداع یک مدل اتمی جدید به‌طور مشترک به دیراک و شرودینگر اهدا شد. او از شهرت بیزار بود و نمی‌خواست جایزه نوبل را بپذیرد و فقط پس از شنیدن این جملۀ رادرفورد که «نپذیرفتن جایزه، شهرت بیشتری به ارمغان می‌آورد» حاضر به پذیرفتن جایزه نوبل شد! دیراک از سال ۱۹۳۲ تا ۱۹۶۹ کرسی استادی لوکاسین در ریاضیات را کمبریج در اختیار داشت، جایگاهی که زمانی به آیزاک نیوتن تعلق داشته است. پل دیراک در ۱۹۸۴ در سن ۸۲ سالگی در فلوریدا درگذشت.

نسخه کامل این مقاله نوشته موسی توماج ایری در مجله دانشمند مرداد ۱۳۹۶، شماره ۶۴۶ منتشر شده است.

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *