Gemäß der Dirac-Loch -Theorie wissen wir, dass das Dirac-Meer vollständig mit negativer Energie gefüllt ist, die Vakuum genannt wird. Wir brauchen oder größer, um ein Elektron und ein Positron durch einfallendes Photon zu erhalten.
Nun meine Frage, warum kann ein Elektron nicht ins Meer fallen ? Ist der Grund Drehimpulssymmetrie, und wenn ein Elektron auf das Dirac-Meer fällt, wird die Erhaltung verletzt?
NEIN.
Zunächst einmal sollten Sie mit dem Dirac-Meer vorsichtig sein, so wie Sie es beschreiben, ist es nicht gut. Als Dirac über seine Gleichung nachdachte, kann ich mir vorstellen, dass das ideale Bild für ihn wäre: Es gibt eine Gleichung, die Lorentz-invariant ist, positiv-definite konservierte Dichte zulässt usw. und nur positive Energiezustände (= Lösungen) liefert. .
Es stellt sich jedoch heraus, dass die Dirac-Gleichung für jeden positiven Energiezustand einen entsprechenden negativen Energiezustand hat. Man könnte sich also vorstellen, dass ein Elektron herunterfällt und einen Zustand negativer Energie einnimmt. Dies ist jedoch physikalisch bedeutungslos, daher gibt es diese Idee von Dirac Sea, die besagt:
In einem Vakuumzustand sind alle Zustände negativer Energie von unsichtbaren Elektronen besetzt.
Durch das Pauli-Ausschlussprinzip bedeutet dies, dass, wenn Sie diesem Vakuum jetzt ein echtes Elektron positiver Energie hinzufügen, es nicht in negative Zustände fallen kann, weil kein Platz mehr vorhanden ist . Diese unsichtbaren Elektronen mit negativer Energie werden Dirac-Meer genannt.
Nun, ein Elektron aus dem Dirac-Meer kann in einen positiven Energiezustand aufsteigen, wenn wir es mit genügend Energie versorgen (und hier haben Sie Recht, die Lücke ist ). Dann gibt es jetzt ein Elektron mit positiver Energie und ein Loch im Dirac-Meer. Dieses Loch verhält sich wie ein echtes Teilchen und wird mit einem Positron identifiziert. Dies ist der Prozess von Produktion.
Wenn es also jetzt einen freien Zustand im Dirac-Meer gibt, kann ein Elektron in diesen Zustand fallen. Dies sieht aus wie ein gleichzeitiges Verschwinden eines Elektrons und eines Positrons (der freie Platz) und heißt Vernichtung. Die Energie, die das Elektron verliert, wird in Form von zwei Photonen freigesetzt.
Die Eigenschaft dieser Dirac-See-Elektronen, unsichtbar zu sein, ist auch natürlich, denn wenn eine Wechselwirkung von etwas mit einem Dirac-See-Elektron nicht trivial ist (zu beobachtbaren Effekten führt), sollte dies den Zustand des Elektrons ändern. Bis auf wenige negative Energiezustände sind jedoch alle besetzt. Dieses Elektron kann also nur in den positiven Energiezustand ( Produktion) oder ein leerer Zustand (und dies wird als Wechselwirkung des Positrons beobachtet). Trotzdem ist dieses Bild ziemlich schwammig, und in QFT wird das Problem durch eine bloße Umbenennung einiger Operatoren gelöst, was viel formeller und überzeugender ist.
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