הים של דיראק

"הים של דיראק" הוא רעיון שתיאר את הריק כים אינסופי של חלקיקים בעלי אנרגיה שלילית. הרעיון הוצע ב-1930 על ידי הפיזיקאי פול דיראק כדי להסביר פתרונות אנרגיה שלילית של משוואת דיראק, הנוסחה היחסותית שמתארת את תנועת האלקטרון ומהווה גרסה מתוקנת של משוואת שרדינגר. משוואת דיראק נותנת לכל מצב אנרגיה E גם מצב עם אנרגיה -E, וזה יצר בעיה כשאלקטרון יכול לשחרר אנרגיה ולרדת לרמות נמוכות בלי גבול.

דיראק השתמש בעיקרון האיסור של פאולי, שאומר ששני פרמיון (חלקיקים כמו אלקטרון בעלי ספין חצי) לא יכולים לתפוס את אותו מצב קוונטי. הוא הניח שכל רמות האנרגיה השליליות מלאות, ולכן אלקטרון בחוץ חייב להיות במצב אנרגיה חיובי. כך הוא מנע ירידה לאינסוף של אנרגיה, כי אין רמות פנויה מתחת לאפס.

אם חסרה רמה אחת בים השלילי, נוצרת התמדה שנראית כמו חלקיק חיובי, "חור". דיראק חשב בתחילה שזהו פרוטון, אבל זה לא הסתדר עם תצפיות. הבעיה נפתרה כשפוזיטרון, האנטי-חלקיק של האלקטרון, התגלה ב-1932. פוזיטרון מתאים לחור: ניתן ליצור זוג אלקטרון-פוזיטרון מפוטון אנרגטי, תהליך שנקרא "יצירת זוג".

למרות כוח ההסבר שלו, מודל הים של דיראק יצר בעיות, כמו מטען שלילי אינסופי שממלא את המרחב. כדי להימנע מזה היה צורך להניח שהאלקטרונים בים אינם מייצרים שדה חשמלי ואינם מגיבים זה עם זה. תורת השדות הקוונטית ששודרגה בשנות ה-30 אפשרה לתאר פוזיטרון כחלקיק אמיתי, ולחשוב על הריק כמצב ללא חלקיקים. פתרון זה שומר על תחזיות הים של דיראק, אך לא מסיר לחלוטין את בעיית האנרגיה האינסופית, אלא מעביר אותה לפורמליזם אחר.

בפיזיקת מצב מוצק רעיון הים של דיראק מתקיים במלואו: פס הערכיות (energy band) במוצק דומה לים אלקטרונים. חורים קיימים שם באמת והם חשובים להבנת מוליכים למחצה. בסביבה זו קיים מטען חיובי של הסריג הייוני, שמנטרל את שדה הים ומפסיק בעיות של מטען אינסופי.

ים של דיראק הוא רעיון שהציע הפיזיקאי פול דיראק ב-1930. הוא חשב שהריק מלא באלקטרונים אנרגטיים שליליים.

דיראק השתמש בכלל שאומר ששני אלקטרונים לא יכולים להיות באותו מצב. כך הרמות השליליות מלאות. אלקטרון רגיל נשאר ברמה חיובית ולא יכול ליפול מתחת לאפס.

אם חסרה רמה אחת, זה נראה כמו חלקיק חיובי. חלקיק כזה נקרא פוזיטרון. פוזיטרון הוא האנטי-חלקיק של האלקטרון. ב-1932 גילו את הפוזיטרון והוא מתאים לחיזוי של דיראק.
יצירת זוג היא תהליך שבו פוטון אנרגטי יוצר אלקטרון ופוזיטרון.

הרעיון יצר בעיה: אם הים מלא, יש מטען שלילי גדול מאוד. מדענים תיקן את זה עם תורת השדות הקוונטית. היא מתארת פוזיטרון כחלקיק אמיתי, ולא כחור בים.

במוצקים כמו סיליקון הרעיון עובד טוב. שם יש "פס ערכיות" (אזורים של אנרגיה). חורים שם חשובים כדי להבין שבבי מחשב. הסריג החיובי של המוצק מאזן את המטען השלילי.