Paul Dirac y la Mecánica Cuántica Relativista.

El primer científico en llevar a cabo la unificación de la Mecánica Cuántica con la Teoría Especial de la Relatividad fue Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984),  conocido como P. A. M. Dirac, considerado como el “padre” de la Mecánica Cuántica Relativista.

La ecuación de Dirac de onda relativista de la mecánica cuántica fue formulada por Paul Dirac en 1928. Da una descripción de las partículas elementales de espín 1/2, como el electrón, y es completamente consistente con los principios de la mecánica cuántica y de la teoría de la relatividad especial. Además de dar cuenta del espín, la ecuación predice la existencia de antipartículas.

Tras las formulaciones de Heisenberg (1901-1976) y Schrödinger (1887-1961) en el campo de la mecánica cuántica, dicha disciplina quedó abierta a nuevas aportaciones. El átomo propuesto por Bohr y Sommerfeld tenía tres números cuánticos, a lo que Pauli (1900-1958) añadió un cuarto, con posibles valores de +1/2 y -1/2, que corresponden al espín o momento angular intrínseco del electrón. En 1924 Pauli formuló su “principio de exclusión” que impone que dos electrones en un mismo átomo no pueden tener los mismos números cuánticos. Como el espín sólo puede tener dos valores, esto lleva a que en una misma órbita sólo pueda haber dos electrones con valores distintos de espín. Con este principio quedó clara la distribución orbital de los electrones.

La ecuación de onda de Schrödinger que describía el comportamiento del electrón, no tenía en cuenta el efecto de la relatividad ni del espín. Estos efectos fueron introducidos en la ecuación de onda por Paul Dirac, quien en 1928 reformuló la ecuación de onda de Schrödinger, incorporando el efecto de la relatividad, conocida hoy como la ecuación de Dirac. De esta forma, predijo correctamente los valores de los niveles de energía del átomo de hidrógeno y descubrió que algunos de estos niveles estaban separados en dos, lo cual quedaba reflejado en la separación de las líneas del espectro que es característico de un electrón con espín.

 

 

El espín aparece como una consecuencia de la mecánica cuántica relativista, como demostró Dirac en 1928, y es una característica de la mayoría de las partículas elementales, si bien la definición del átomo en términos de los números cuánticos nos aleja de cualquier representación gráfica.

Partiendo de la posible existencia de estados negativos de energía para el electrón, Dirac predijo la existencia de una partícula como el electrón pero con carga positiva: el positrón. En efecto, el positrón fue descubierto experimentalmente dos años más tarde de la predicción inicial de Dirac. La existencia del positrón abrió el camino hacia el descubrimiento de otras antipartículas y en consecuencia a la existencia de la antimateria.

En 1933, Schrödinger y Dirac recibieron el Premio Nobel de Física por la introducción de la ecuación de onda en la mecánica cuántica.