从薛定谔的猫到狄拉克之海

2016-07-05作者:棽棽编辑:清华大学出版社

1928年,26岁的狄拉克遨游于算符海洋转眼已近两年,其间,他不但对微观粒子的第四重坐标——自旋量子数——给出了精准定义,还找到了描述所有自旋量子数为半整数的粒子分布状态的统计规律,即费米一狄拉克统计。


保罗.狄拉克


一切即将大功告成,然而,在收尾阶段推导电子所携带的能量E时,他发现自己得到的是E2的表达式。这意味着开根号后能量将有两个数值,一正一负。依据质能方程,质量是能量的一种表达形式,如果存在“负能量”,那么理所当然也就必定存在“负质量”体。这将是怎样一朵奇葩呀,想象一下你向一粒“负质量”电子施加吸引力,它却反倒离你远去的诡异景象吧。

电子作为一种费米子,它们必须时刻遵从泡利君王的律令,自能态最低处开始不相重叠地依次入驻各个岗位。假若负能态真的存在,为何从来没人观察到电子族群从正能态跌落至负能态并释放大量辐射的壮观景象呢?而更进一步的矛盾是,既然负能态上还有空缺,世间为何还有那么多的电子敢于忤逆排布规则,逡巡于高高在上的正能态中呢?

又经过长达两年的思考,狄拉克终于为他笔下的“- E”,找到了一种合乎逻辑的解释:电子之所以能在正能态中游荡,是由于负能态早都已被占满了。负能态“颗粒”实在太多、太密,它们无孔不入,填满了空间的每一丝缝隙,从而形成一个真正意义的“连续统”。在狄拉克构建的异世界里,它就是承载负能量的海洋,史称“狄拉克之海”。



可是,介于狄拉克为他的负能量之海所下的定义,海里的粒子相互之间不受任何作用力约束,这是不是意味着,我们永远也无法通过仪器检测到它们,因而也就不可能对理论进行证实或证伪了呢?

治学严谨的狄拉克当然不会随意抛出无法验证的空谈。调动逆向思维,他想出一套绝妙的实验方案:虽然我们尚无能力用瓢将海水舀起,但利用高能射线这把大锤,从海中凿出一两颗负能量粒子却是可行的。而负能量粒子一旦跃出海平面,闯入正能态,立马就会变成普普通通的正质量粒子了。

从外部看来,突然多出的些许质量仿佛违背了守恒原则,但此时,你若把目光探向狄拉克之海深处,就会找到一个与之对应的“空穴”。如果从海中逃逸的微粒携带负电荷,那么原本均匀的连续统现在就缺失了部分负电荷,此时在空穴处应能检测到等量的正电荷。更重要的是,逃逸的粒子随身带走了负质量,无意间为正质量的涌入创造了契机。

借此,狄拉克在看不见摸不着的负能量之海掬起了一颗实实在在、兼具正质量与正电荷的微粒,恰与海面上携带负电荷的普通微粒两相呼应。新理论不但丝毫没有破坏能量守恒,同时还是电荷守恒的最佳佐证。


狄拉克之海的虚拟空间


与当今科学家们都以发掘新粒子为己任不同,在前加速器时代,物理界对新物种的降生普遍持保留态度。在这样的氛围之下,一向果敢的狄拉克也犹豫了起来,含含糊糊不愿吐露新粒子的芳名。

在好友与前辈的双重鼓励下,狄拉克终于迈出了决定性的一步。1931年,他将自己原先迫于压力勉强塞入负能量之海的质子给挖了出来,在新发表的论文中,公布了“正电子”这一概念——它的质量与电子相当,却携带着与其等量的正电荷。

不仅如此,狄拉克更顺势将“海水”蔓延至整个世界。他解释道:相对于我们所熟悉的电子而言,创生于空穴的微粒又可称作“反电子”;那么运用同样的手段,只要能量足够大,当然也可以从真空之中敲出“反质子”——质量与质子相当,却携带着负电荷。有了反质子与反电子,待技术进一步成熟,我们就可利用它们搭建“反原子”“反分子“反物质”……

狄拉克以他举世无双的创造力,在天地之间为大家开辟了一整块“反大陆”,为寻找“反世界”的人们指明了方向。


内容来源:书问

作者棽棽
出版清华大学出版社
定价59元
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