1. 소립자의 종류
모든 기본 입자는 페르미온 또는 보손입니다.
전자, 양성자 및 중성자는 모두 페르미온입니다. 페르미온은 물질을 구성하는 소립자의 역할을 한다. 반면에 광자는 대표적인 보존입니다. 광자는 전기력의 매개체 역할을 하는 입자입니다. 일반적으로 힘의 매개체 역할을 하는 입자는 보존이어야 합니다. 참고로 뮤온은 보손이 아니라 전자와 같은 페르미온이다. 따라서 뮤온은 유카와가 예측한 핵력을 매개하는 입자가 될 수 없다. 다행히 뮤온이 발견된 직후 우주선 실험에서 뮤온과 비슷한 질량을 가진 입자, 이번에는 보손이 발견됐다. 이 입자를 파이메존(pymezone)이라고 합니다. 그리고 이 피마존이 핵력을 매개하는 바로 그 입자라는 것이 밝혀졌습니다.
양전자(BEF)는 우주선 실험에서 발견된 소립자로도 유명하다. 1932년에 방금 박사 학위를 받은 앤더슨은 이것이 사실임에 틀림없다고 추론했습니다. 추가 분석 후 Anderson은 입자가 양전하를 가지며 전자와 동일한 질량을 갖는다고 발표했습니다. 이 입자는 전자의 반입자인 양전자입니다. 파이 중간자처럼 양전자는 나중에 실험적으로 발견된 이론적으로 예측된 입자라는 특징이 있습니다.
20세기에는 고전물리학을 수정한 양자이론과 상대성이론이 서로 따로따로 발전하였다. 는 시간과 공간의 개념의 회복이며 세계와 독립적으로 세워져야 한다. 그러나 보어, 슈뢰딩거, 하이젠베르크가 창시한 양자역학은 상대성 이론에 상응하는 상대론이 아니었다.
2. 디락 방정식
뉴턴의 운동 방정식도 상대성 이론과 일치하지 않습니다. 따라서 매우 빠르게 움직이는 물체의 문제를 풀기 위해서는 뉴턴의 방정식을 상대성 이론과 일치하도록 수정하고 적용해야 합니다. 그러나 거시적 세계의 대부분의 물체는 상대성 이론을 적용하지 않고는 그다지 빠르지 않고 충분히 정확하지 않은 속도로 움직입니다. 그러나 미시세계의 자연현상을 상대론적으로 기술할 필요가 있으므로 상대성 이론에 부합하는 양자역학 이론을 정립하는 것이 매우 중요하다. 디랙은 양자역학의 운동방정식인 슈뢰딩거 방정식을 상대성 이론에도 적용되도록 바꾸었다. 수정된 방정식을 Dirac 방정식이라고 합니다. Dirac 방정식을 자세히 연구하려면 상당히 높은 수준의 수학이 필요하므로 여기서는 자세히 다루지 않겠습니다. 그러나 Dirac 방정식을 만든 후 두 가지 매우 흥미로운 결과를 얻었습니다.
디랙 방정식은 소립자 중 보손에는 성립하지 않고 전자와 같은 페르미온에만 성립하는 이론이기 때문에 디랙 방정식은 전자가 고유한 스핀을 가져야 한다고 가정한다. 고유 스핀은 각운동량과 관련이 있습니다. 그러나 이유는 모르겠지만 전자는 회전하지 않을 때에도 일종의 유사 운동량인 고유 스핀을 가져야 했습니다. 따라서 전자의 고유 스핀은 상대론적 효과라고 말할 수 있습니다. 그래서 상대성 이론을 양자역학에 접목함으로써 실험에서 관찰되고 그 존재 이유를 알 수 없었던 전자의 고유 스핀이라는 현상을 자연스럽게 설명했다. 이것은 또한 상대성 이론의 힘에 대한 많은 증거 중 하나입니다.
두 번째 결과는 Dirac 방정식을 풀 때 전자가 들어갈 수 있는 고유상태의 에너지가 0보다 큰 에너지와 0보다 작은 에너지 두 개가 나온다는 것이다. 이러한 결과는 당시의 에너지 개념으로는 이해할 수 없는 것이었다. 에너지가 0보다 작은 것은 이해할 수 없었지만, 전자가 가져올 수 있는 에너지가 0보다 작고 -∞까지 계속되는 것은 이해할 수 없었다.
원자에 속한 전자는 파울리 배타 원리에 따라 가장 낮은 에너지 상태에서 각 상태로 개별적으로 이동합니다. 그러나 전자가 놓일 수 있는 에너지를 -00에서 +00까지 분포시키면 모든 전자는 -∞0의 에너지 상태에 빠진다. 전혀 상상할 수 없는 일이었습니다.
Dirac은 이 결과를 매우 훌륭하게 해석했습니다. 그는 에너지가 0보다 작은 상태는 이미 전자와 완전히 짝을 이루고 있다고 말했습니다. 우리가 상상하는 진공 상태는 전자의 가능한 상태 중 0 미만의 모든 에너지 상태가 이미 가득 찬 상태입니다. 그리고 전체 그림에서 볼 수 있듯이 Dirac의 반입자 상태는 우리가 감지할 수 없는 상태입니다.
그러나 0보다 낮은 에너지 상태의 전자가 그림과 같이 매우 강한 에너지로 부딪히면 전자는 에너지를 얻고 마치 원자에 속한 전자가 에너지를 받아 더 높은 에너지 상태로 이동하여 이동하는 것처럼 , 그것은 더 높은 에너지 상태로 이동하고, 상태로 상승하며, 가득 차 있던 상태는 비게 되고, 이 빈 상태는 반입자 상태로 나타난다. 공중목욕탕에서 욕조에서 방귀를 뀌었을 때 관찰할 수 있는 것과 똑같은 물방울 형태로 욕조 안의 물이 없는 공간이다.
이런 식으로 Dirac은 반물질의 존재를 처음으로 예측했습니다. 전자가 가득 찬 공간에서 튀어나오면 마이너스 전하가 사라지므로 나머지는 + 전하를 가진 것처럼 보입니다. 반입자는 원래 입자와 부호가 반대인 전하를 띤다. 예측된 전자 반입자는 우주선 실험(수원)에서 앤더슨에 의해 관찰되었다. 그리고 관찰된 반입자가 자신의 입자와 반응하면 순수한 에너지인 감마선으로 변한다. 그림에서 입자가 반입자 역할을 하는 빈 구멍에 들어가면 두 상태의 에너지 차와 같은 에너지를 갖는 감마선으로 변환되어 입자와 반입자가 소멸됩니다. 입자와 반입자가 순수한 에너지로 소멸하거나 순수한 에너지로부터 입자와 반입자가 생성되는 것은 질량과 에너지가 완벽하게 동일하다는 것을 분명히 보여줍니다.