Scientia

Paul Dirac continuă prezentarea viziunii proprii privind căile de urmat în fizica teoretică a deceniului al şaptelea al secolului trecut cu prezentarea unei posibile abordări cu ajutorul căreia să se explice caracterul discret al sarcinilor electrice în natură.

Evoluţia viziunii fizicienilor asupra lumii (5)

O altă posibilă direcţie teoretică de abordat în viitor şi pe care aş dori să o menţionez atacă următoarea întrebare: de ce toate sarcinile electrice observabile în natură ar trebui să fie multiplii unei unităţi elementare de sarcină, e ? De ce nu avem de-a face cu o distribuţie continuă de sarcină electrică în natură? Explicaţia pe care o propun are la bază ideea liniilor de forţă (mai cunoscute ca linii de câmp) a lui Faraday şi implică dezvoltarea acesteia. Liniile de forţă Faraday reprezintă o modalitate de reprezentare a câmpurilor electrice. Dacă într-o regiune a spaţiului se manifestă un câmp electric, atunci, potrivit lui Faraday putem desena un set de linii care au aceeaşi orientare cu cea a câmpului electric. Apropierea liniilor unele de altele dă măsura puterii câmpului, astfel: sunt apropiate acolo unde intensitatea câmpului electric este mare, respectiv mai puţin apropiate în zonele unde câmpul este mai slab. Liniile de forţă Faraday oferă o reprezentare vizuală satisfăcătoare a câmpului electric în teoria clasică.

Când trecem la teoria cuantică, introducem un caracter discret în imaginile fundamentale despre lume pe care încercăm să le descifrăm. Putem presupune că distribuţia continuă a liniilor de forţă Faraday cu care ne-am obişnuit în teoria clasică este înlocuită cu doar câteva linii de forţă, distribuite în mod discret, fără alte linii de forţă între ele. Liniile de forţă imaginate de Faraday se termină acolo unde sunt dispuse sarcinile electrice. Astfel că, în cazul acestor linii Faraday cuantificate, ar fi rezonabil să presupunem că sarcina electrică asociată fiecărei linii, care trebuie să fie dispusă la capătul liniei de forţă -- dacă aceasta are un capăt -- , are întotdeauna aceeaşi valoare (cu excepţia semnului), şi are mereu valoarea sarcinii electrice asociate electronului, (-e) sau (+e). Există un vector direcţie ataşat fiecărei linii, astfel încât capetele unei linii care are două margini sunt identice, având asociată o sarcină (+e) la unul din capete şi o alta (-e) la celălalt. Putem avea şi linii de forţă care să se extindă la infinit, caz în care, desigur, nu avem nicio sarcină asociată.

Dacă presupunem că aceste linii de forţă Faraday discrete reprezintă ceva fundamental în fizică, stând la baza reprezentărilor noastre despre câmpul electromagnetic, vom avea o explicaţie cu privire la cauza existenţei în natură a sarcinilor electrice doar sub forma multipilor lui e. Acest lucru se întâmplă deoarece dacă avem de-a face cu orice particulă aflată la capătul unor linii de câmp, numărul acestor linii trebuie să fie întreg. De această manieră obţinem o reprezentare rezonabilă din punct de vedere calitativ.

Noi presupunem că aceste linii de câmp se pot deplasa în spaţiu, se pot muta dintr-un loc într-altul. Unele dintre ele, formând bucle închise ori pur şi simplu extinzându-se de la minus la plus infinit, vor corespunde undelor electromagnetice. Altele vor avea capete, iar la capetele lor se vor afla sarcinile. Din când în când, poate, câte o linie de forţă se va rupe. Când se petrece acest lucru apar două capete noi, unde trebuie să se găsească sarcini electrice. Acest proces – ruperea liniilor de forţă – ar fi modalitatea de reprezentare a momentului creării unui electron (e-) şi a unui pozitron (e+). Ar fi o modalitate ingenioasă de reprezentare, iar dacă ar putea fi dezvoltată pe baze matematice solide, ar putea rezulta o teorie în cadrul căreia e să ocupe locul unei cantităţi fundamentale. Încă nu am descoperit un sistem de ecuaţii acceptabil care să descrie mişcarea acestor linii de forţă, astfel că mă limitez la a prezenta ideea drept o posibilă modalitate de reprezentare pe care am putea-o dezvolta în viitor.

Există o caracteristică foarte atractivă a acestui model de reprezentare. Aceasta va modifica semnificativ discuţia despre renormalizare. Renormalizarea, aşa cum există în electrodinamica cuantică actuală, are la bază ceea ce fizicienii numesc un electron “gol” ("bare electron" în limba engleză) – adică un electron fără sarcină electrică. La un anumit punct în cadrul teoriei este introdusă şi asociată electronului şi sarcina electrică, provocându-se astfel interacţiunea dintre acesta şi câmpul electromagnetic. Fapt care creează o perturbaţie la nivelul ecuaţiilor, cauzând şi o modificare a masei electronului, Delta m, care trebuie adăugată valorii anterioare a masei particulei elementare. Procedura este mai degrabă una indirectă deoarece se pleacă la drum cu un concept imaginar, fără corespondent în lumea materială, cel al electronului fără sarcină electrică. Probabil  că în cadrul modelelor îmbunătăţite despre Univers pe care fizicienii le vor dezvolta în viitor acest tip de electron nu va mai exista.

Am ajuns deci în cadrul articolului nostru la o imagine care include starea de fapt existentă în prezent în fizică, plus liniile discrete de forţă imaginate anterior. Putem reprezenta liniile de câmp ca nişte corzi, electronul fiind la capătul corzilor. Coarda însăşi este forţa electrică (forţa coulombiană ori, simplu, forţa Coulomb) din jurul electronului. Un electron “gol” ar fi un electron care să nu fie “prevăzut” cu forţa Coulomb asociată în mod normal lui. Lucru care este de neconceput. La fel cum este de neconceput pentru mintea umană să îşi imagineze capătul unei corzi fără a se gândi la coarda însăşi. Acesta este, cred, tipul de abordare la care ar trebui să apelăm pentru a încerca să dezvoltăm modelele actuale existente în fizica cuantică – introducerea de idei cu ajutorul cărora să facem de neconceput lucrurile pe care vrem să le eliminăm din cadrul teoriilor actuale. Am obţinut din nou o reprezentare acceptabilă, dar pentru care nu am reuşit să dezvolt un sistem de ecuaţii corespunzător.

Evoluţia viziunii fizicienilor asupra lumii (7)

Acest text reprezintă traducerea articolului "The Evolution of the Physicist's Picture of Nature" aparţinând lui Paul Dirac, publicat în numărul din mai 1963 al revistei Scientific American.