Английский физик Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) проявил интерес к теории относительности Эйнштейна еще в студенческие годы. Поступив в кембриджскую аспирантуру, он узнал, что немецкий ученый В. Гейзенберг и австрийский физик Э. Шрёдингер описали поведение атомов и движение элементарных частиц вроде электрона на основе квантовой теории — то есть создали квантовую механику. Дирак внимательно ознакомился с исследованиями зарубежных коллег и обнаружил большой изъян в их концепции: она работала лишь в случае частиц с низкой, сравнительно со световой, скоростью, из-за чего законы теории относительности Эйнштейна не соблюдались. Для того чтобы с ускорением возросла масса частицы, необходимо приблизить ее скорость к световой.
Отказавшись от изучения целой системы разнозаряженных частиц, Дирак сконцентрировался на единичном электроне и написал для него уравнение движения, однако результат вычислений получился совершенно неожиданным. Как оказалось, у электрона есть дополнительная степень свободы, которая позволяет ему получить отрицательную энергию. Это казалось невероятным, и ученый чуть было не бросил все свои изыскания, но все же решил попытаться разобраться в вопросе.
Поразмыслив, Дирак высказал догадку, что во Вселенной плотность электронов огромна. Располагаются они на отрицательных энергетических уровнях и составляют фон, недоступный для наблюдений. Там, где все уровни заняты, образуется абсолютная пустота. Незаполненные же уровни имеют положительную энергию, поскольку им не хватает электрона с отрицательной энергией, а на его месте зияет «дыра», которую можно считать положительной частицей. Дирак предложил поместить в «дыре» между отрицательными электронами позитрон. Только такие частицы он считал видимыми.
Более того, продолжая исследования, Дирак открыл, что столкновение двух электронов — с положительной и отрицательной энергией — дает два фотона, которые расходятся в противоположные стороны. И наоборот, когда высокоэнергетические фотоны сталкиваются с тяжелыми ядрами, рождаются пары электрон/антиэлектрон с положительной энергией и противоположными зарядами. (К слову, антиэлектрон, или позитрон, был обнаружен К. Д. Андерсеном в 1932 г.)
В 1928 г. на базе своих выводов Дирак написал новое уравнение, в котором были учтены результаты экспериментов: спин — скорость и направление вращения частицы, а также магнитные свойства (магнитный момент) электрона. И все же уравнение Дирака не касалось поведения частиц с очень большой энергией и высокой скоростью. Пытаясь заполнить этот пробел, ученые поступательно обобщили постулаты квантовой механики и разработали квантовую теорию поля, согласно которой частицы возмущают электромагнитные поля, и те помогают им взаимодействовать. Как? Частицы попросту «перебрасываются» квантами полей, поглощая и испуская порции энергии. При этом частиц может быть сколь угодно много, и вариантов движения (степеней свободы) тоже масса. Впрочем, скоро стало понятно, что большинство квантовополевых вычислений стремятся к бесконечности, и объединение квантовой механики с теорией относительности оказалось под вопросом.