Diracin meri

Diracin meri on vanhentunut malli, jolla kuvataan tyhjiötä negatiiviset energiatilat täyttävien elektronien mereksi. Se yrittää yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian. Kvanttikenttäteoria on kuitenkin ainut malli, jolla tämä asia onnistuu ilman sisäisiä ristiriitoja. Nimensä mukaisesti mallin keksi Paul Dirac vuonna 1930.

Diracin meri kuvaa tyhjiön tilaksi, jossa kaikki negatiivisen energian tilat ovat miehitetty elektroneilla, mutta positiivisen energian tilat ovat tyhjänä. Tyhjiön energiaksi määritellään nolla.

Mallilla halutaan kuvata negatiivisen energian ratkaisuja. Malli yrittää vastata kysymykseen, miksi positiivisen energian omaavat elektronit eivät romahda negatiiviseen tilaan, koska energeettisesti edullisempi. Perusteluna oli, että negatiiviset energiat ovat jo täynnä. Negatiiviset energiat muodostavat tämän ilmiön, jota kutsutaan Diracin mereksi.

Diracin yhtälön ratkaisut saavat molemmat erityisen suhteellisuusteorian sallimat energian arvot eli

$E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}\,\!$

$\Rightarrow E=\pm {\sqrt {p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}}}$,

jonka mukaan siis jokaista positiivista energiatilaa vastaa negatiivinen energiatila. Tavallisen aineen energiaa kuvataan yhtälön positiivisella arvolla. Mutta Dirac halusi selittää myös yhtälön negatiiviset ratkaisut. Kun kaikki negatiiviset energiatilat on täytetty elektroneilla, Paulin kieltosääntö estää positiivisen energian elektroneja siirtymästä negatiivisen energian tiloihin. Tällöin kyseessä on Diracin meren mukainen tyhjiö ja sen energia on nolla. Antimateria on aukko Diracin meressä ja sen energia saadaan yo. yhtälön negatiivisesta ratkaisusta. Tämä tarkoittaa sitä, että jos esimerkiksi negatiiviselta energiatilalta poistuu yksi elektroni, sen tilalle syntyy aukko (elektronin antihiukkanen positroni), jolla on yhtä suuri, mutta vastakkainen määrä energiaa kuin poistuneella elektronilla.

Diracin meren ajatellaan olevan rakenteeltaan homogeeninen ja sijaitsevan kaikkialla avaruudessa (vrt. eetteri). Tästä seuraa kuitenkin ongelmia viimeistään tarkasteltaessa gravitaatiota, sillä äärettömän hiukkasmeren aiheuttaman painovoiman pitäisi olla havaittavissa.

Aiheesta muualla

• Enqvist, Kari – Antimaterian syvin olemus