Équation de Dirac - Définition

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L'équation de Dirac est une équation formulée par Paul Dirac en 1928 dans le cadre de sa mécanique quantique relativiste de l'électron.

Explication

Cette équation décrit le comportement de particules élémentaires de spins demi-entiers, comme les électrons. Dirac cherchait à transformer l'équation de Schrödinger afin de la rendre invariante par l'action du groupe de Lorentz, en d'autre termes à la rendre compatible avec les principes de la relativité restreinte.

Cette équation prend en compte de manière naturelle la notion de spin introduite peu de temps avant et permit de prédire l'existence des antiparticules. En effet, outre la solution correspondant à l'électron, il découvre une nouvelle solution correspondant à une particule d'énergie négative et de charge opposée à celle de l'électron.

En 1932 Carl Anderson, alors qu'il étudiait des photons de haute énergie en provenance de l'espace, constate que l'interaction de ces photons avec la chambre à bulles produit une particule qui s'identifie à la particule conjecturée par Dirac, le positron.

Il est par ailleurs tout à fait étonnant que l'opérateur de Dirac, découvert pour des raisons absolument physiques (et théoriques) aura en mathématiques un glorieux avenir par son usage indispensable dans l'un des plus profonds résultats du siècle, le théorème d'Atiyah et Singer démontré dans les années 1960.

Formulation mathématique

Sa formulation exacte est :

où m est la masse de la particule, c la vitesse de la lumière, la constante de Planck réduite, x et t les cooordonnées dans l'espace et dans le temps, et ψ(x, t) une fonction d'onde à quatre composantes. (La fonction d'onde doit être formulée par un spineur à quatre composants, plutôt que par un simple scalaire, du fait des exigences de la relativité restreinte.) Enfin sont des matrices de dimension agissant sur le spineur et appelées matrices de Dirac. En terme des matrice de Pauli on peut écrire les matrices de Dirac, dans la représentation de Dirac (d'autres sont possibles, comme la représentation de Weyl ou la représentation de Majorana), sous la forme

Il est commun en mécanique quantique de considérer l'opérateur quantité de mouvement et dans ce cas l'équation de Dirac se réécrit de façon condensée

De plus, il est naturel de chercher une formulation covariante, ce qu'on fait en posant γ⁰ = γ₀ = α₀ et γⁱ = − γ_i = α₀α_i, auquel cas on a (en adoptant les conventions c=1 et ) une notation encore plus compacte :

où l'on a adopté la notation de Dirac