Nagy Károly

Einstein hatása a 20. század fizikájára

VI. A relativitáselmélet és a kvantummechanika

A mikrorészecskék (atomok, molekulák és még elemibb részek) fizikáját a 20. század másik nagy elmélete, a Heisenberg és Schrödinger által megalkotott kvantummechanika írja le. Ennek alapegyenletei nem tesznek eleget a relativitás elvének, annak ellenére, hogy az atomfizika jelenségeit általában jól leírják. Ennek az az oka, hogy az atomokban és molekulákban az elektronok sebessége viszonylag kicsi a fény sebességéhez képest. Paul Dirac angol elméleti fizikusnak sikerült összehangolnia a kvantumelméletet a relativitással. A róla elnevezett egyenlet a relativisztikus kvantummechanika mozgástörvényét fejezi ki. Ez az egyenlet Dirac eredeti célkitűzésén túl az elektronnak olyan fizikai sajátságait is tartalmazza, ami Diracot is meglepte. Például kiadódik belőle az elektron saját impulzus- és saját mágneses nyomatéka. De még ennél is fontosabb, hogy Dirac tisztán elméleti úton megjósolta, hogy kell létezni a természetben egy új részecskének, ami az elektrontól töltésének előjelében különbözik csupán. Ez az elektron antirészecskéje, amit néhány évvel később a kozmikus sugárzásban kísérletileg felfedeztek és pozitronnak nevezték el.

11. ábra

h

Animáció: Elektron-pozitron pár szétsugárzódása

A PET-ben is ez történik: ennek alapján készítenek képet az emberi szervezet különböző részeiről. A Dirac-egyenletre és a pozitronra azért tértem ki egy kicsit részletesebben, mert érzékeltetni akartam, hogy a relativitáselméletből kiindulva, tisztán elméleti megfontolásokkal (úgy is mondhatnám, hogy spekulatív módon) hogyan jutott el Dirac egy olyan felfedezéshez, amely a 20. század fizikájában, különösen annak második felében meghatározó szerepet játszott.