粒子世界:第一个反物质上帝预言家狄拉克预言正电子存在
作者:admin
发布日期:2020-01-02

       

  我们在科幻电影当中经常会看到这样的片段,有一个人发现了一个和他长得一模一样的人但是刚一握手,这两个人就灰飞烟灭了,因为他发现的是自己的反物质,在真实世界当中的宏观物体的反物质还没有发现,不过在微观粒子当中,电子的反粒子已经发现了,就是正电子。但是大家注意,这一般在科幻作品当中还会出现两个词儿,一个是反物质,另一个是负物质,这两个还是不一样的,反物质就比如说正电子,只是电荷和电子不一样,这质量是相等的,就是带正电的电子,那负物质就是负质量的东西,这就比较抽象,还在人类的研究探索当中,咱们要说的是第一个被发现的反物质就是正电子,关于正电子的故事,咱们要从上帝预言家说起,就是量子力学的领军人之一保罗狄拉克。

  这是尼尔斯波尔的三个得意助手之一,泡利,海森堡,狄拉克,泡利是1900年出生的海森堡是1901年出生的,迪拉克是1902年出生,1902年的8月8日,迪拉克出生在英格兰西南部的布里斯托,他的父亲是一位瑞士人,母语是法语,所以他父亲曾经是一位中学的法语老师,后来离家出走了,在布里斯托结婚生子。

  迪拉克的父亲从小就对他管教特别严,迪拉克在家必须说法语,语法要是错了就直接上去一个耳光,这就导致后来的狄拉克一生沉默寡言,所以你可能听过很多关于狄拉克的段子,都是关于他话少的故事,有一次迪拉克去一个学校演讲,讲完了之后,有一个学生就提了一个问题,迪拉克老师那个您刚才写的方程我没懂,而迪拉克就看着这个学生没吱声,那学生就又说了一遍,老师您写的这个方程我没懂,迪拉克还看着他,后来主持人看不下去了,赶紧提醒迪拉克,迪拉克就说他这不是问句,他这是陈述句,还挑人家语法毛病了。

  1927年大腕云集的第五届索尔维会议上有这么一个画面,当时由爱因斯坦和波尔分别领导的两个阵营,因为量子力学争论不休,当讨论进入后半段的时候大家也比较放松了,就开始闲聊起来,迪拉克就冒出一句话,我不信神,我信科学,泡利是出了名的大嘴巴,他就赶紧接过话茬,哈哈哈!迪拉克你不就是神吗,泡利的这句玩笑话,在几年后还真的应验了。

  当时的量子力学有两种理论,一个是海森堡的矩阵力学,但是这个矩阵力学生涩难懂,那时候物理学家很少有人会矩阵,好在还有一套理论可以选择,就是薛定谔波动方程,这种方法是微分方程,这个好,因为所有人都喜欢都会,但是薛定谔波动方程,它局限性比较大,有不能处理的问题,薛定谔方程就相当于是经典力学当中的牛顿方程,它只能处理低速粒子的问题,牛顿方程不也一样吗?就只适用于低速,如果是高速问题,那就只能用爱因斯坦的相对论了,粒子基本上都是高速问题,所以这个薛定谔方程的相对论版本就一直没有,让人们就很头疼。

  克莱因和戈登这两个人倒是给出了一个相对论版本的,就是克莱因戈登方程,他俩是分别推导的,但是他这个方程又只适用于自旋为零的粒子,在1928年迪拉克就给出了一个迪拉克方程,统一了量子力学和相对论,并且还适用于自旋,给大家简要回顾一下,狄拉克方程固然好,不过他在计算粒子能量的时候会出现这么一个情况,就是开根号,你看我们正常假说计算根号四,应该等于正负2,一般我们要计算能量,只要等于正负2而负2肯定就直接舍掉了,因为能量不存在负值啊,其实这个情况在克莱因戈登方程它就存在。

  只不过当时大伙没注意,迪拉克就多想了一层,会不会这个负二也存在着某种物理意义呢?能量真会存在负值吗?可是怎么理解呢?生活当中我没见过哪个负能量的东西啊,狄拉克他就假想了一个理由,咱们在补充一点干货,首先就得从玻尔的原子模型说起,玻尔说原子轨道它是分立的,就是不连续的,它是一层一层的,然后电子就只能够在这些轨道上运行着,最里边的这个轨道能量就最低,最外边的轨道能量就最高,如果一个电子从高能轨道跳到了这个低能轨道上,或者是反过来从低能轨道跳到高能轨道,这种行为就叫做跃迁,一般情况下电子会趋于从高能到低能,就是因为低能太稳定了,高能太不稳定了,所以电子就会趋于低能态稳定的状况。

  可是从高能到低能,能量就有剩余,那怎么办?就通过辐射电磁波的形式,就把多余的能量扔了,如果想要从低能到高能,那就得吸收能量啊,这个能理解吧,那你肯定会问说低能态稳定,那为啥有的电子还会处在高能态的位置,那咋不是所有的电子都在这个低能态呢,这个问题是泡利给出的答案叫做泡利不相容原理,泡利说那个轨道一共就那么几个位置,先到先得,假设这个最低能量的轨道已经有电子了,一共就俩位置满了,第三个电子它就只能选择别的轨道了。

  狄拉克就接着想,最低能量的轨道,那也是一个正直啊,有没有可能存在一个负能态的轨道呢?狄拉克想应该有,只不过看不见,可是在哪儿呢?都在真空里,狄拉克说这真空当中布满了负能态的轨道了,而且根据泡利不相容原理,这些轨道都已经被负质量的电子填满了,所以正常的电子它就不能够跌落到这个负能态轨道了,这些我们都看不见啊,这个真空理论的假说就叫做迪拉克海。

  他又发现了一个事儿,就正常电子是不能够跌进去了,但是这些负能态的这个负质量电子应该可以吸收能量,那假如他吸收了一个电子的能量,那能量就变成零了,那如果吸收两个电子的能量呢,这个迪拉克海当中就会冒出一个正常的电子,它是带负电的,然后在真空当中就会留下一个坑,这个坑就是迪拉克海中的一个真实粒子,带正电荷和正质量,讲到这,咱们终于看到正电子的影子了,有点不太好理解,没关系可以不用理解,只是和大家说狄拉克的思考过程。

  后来随着量子场论的发展,迪拉克海这种模型已经被抛弃了,就是不用假想这个负能态,正电子也能够出现。狄拉克还是很厉害,他是理论物理学家,他没做实验,就只是通过自己的方程,然后想就想出了一个坑,他最开始没敢说这是正电子,说正电荷正质量有可能是质子,因为那个时候物理学界一般不敢有人预言新粒子。光子构成了电磁波,电子,质子,中子构成实物,一个带负电,一个带正电,一个不带电,就这么四个基本粒子,这啥都有了,多完美,所以当时很多人都觉着,现在就已经知道这个宇宙的本质了吗?甚至迪拉克给出了迪拉克方程之后,有人曾经说过,物理学将在六年之内完结,迪拉克最开始在论文当中说迪拉克海中的这个洞,有可能就是质子。

  他从小就胆小,后来奥本海默一帮人和迪拉克说肯定不是质子,质子和电子质量相差太悬殊了,如果要是质子的话,那氢原子就是电子和质子组成的呀,氢原子肯定就不能稳定,就会自爆,这个坑应该就是一种和电子质量相等,电荷相反的新粒子。于是迪拉克在1931年就发表了一篇论文,我预测存在一种新粒子,它的质量和电子相等,带正电荷,一遇到电子就会发生洇灭,放出能量。在这篇论文当中迪拉克把它称作是反电子,那时候还不叫正电子,于是又一个寻宝行动就开始了,人们都以狄迪拉克会等到正电子发现之后和发现者平分正电子的诺奖,不过迪大神显然并不需要,在1933年狄拉克就因为在量子力学当中的杰出贡献,获得了诺贝尔物理学奖,那正电子的诺奖又让谁拿了呢?咱们下回接着聊。

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