關於保羅·狄拉克的一段歷史:從古典力學到量子力學

2020-11-23 騰訊網

1928年，26歲的狄拉克遨遊於算符海洋轉眼已近兩年，其間，他不但對微觀粒子的第四重坐標——自旋量子數——給出了精準定義，還找到了描述所有自旋量子數為半整數的粒子分布狀態的統計規律，即費米一狄拉克統計。

一切即將大功告成，然而，在收尾階段推導電子所攜帶的能量E時，他發現自己得到的是E2的表達式。這意味著開根號後能量將有兩個數值，一正一負。依據質能方程，質量是能量的一種表達形式，如果存在「負能量」，那麼理所當然也就必定存在「負質量」體。這將是怎樣一朵奇葩呀，想像一下你向一粒「負質量」電子施加吸引力，它卻反倒離你遠去的詭異景象吧。

電子作為一種費米子，它們必須時刻遵從泡利君王的律令，自能態最低處開始不相重疊地依次入駐各個崗位。假若負能態真的存在，為何從來沒人觀察到電子族群從正能態跌落至負能態並釋放大量輻射的壯觀景象呢?而更進一步的矛盾是，既然負能態上還有空缺，世間為何還有那麼多的電子敢於忤逆排布規則，逡巡於高高在上的正能態中呢?

又經過長達兩年的思考，狄拉克終於為他筆下的「- E」，找到了一種合乎邏輯的解釋:電子之所以能在正能態中遊蕩，是由於負能態早都已被佔滿了。負能態「顆粒」實在太多、太密，它們無孔不入，填滿了空間的每一絲縫隙，從而形成一個真正意義的「連續統」。在狄拉克構建的異世界裡，它就是承載負能量的海洋，史稱「狄拉克之海」。

可是，介於狄拉克為他的負能量之海所下的定義，海裡的粒子相互之間不受任何作用力約束，這是不是意味著，我們永遠也無法通過儀器檢測到它們，因而也就不可能對理論進行證實或證偽了呢?

治學嚴謹的狄拉克當然不會隨意拋出無法驗證的空談。調動逆向思維，他想出一套絕妙的實驗方案:雖然我們尚無能力用瓢將海水舀起，但利用高能射線這把大錘，從海中鑿出一兩顆負能量粒子卻是可行的。而負能量粒子一旦躍出海平面，闖入正能態，立馬就會變成普普通通的正質量粒子了。

從外部看來，突然多出的些許質量仿佛違背了守恆原則，但此時，你若把目光探向狄拉克之海深處，就會找到一個與之對應的「空穴」。如果從海中逃逸的微粒攜帶負電荷，那麼原本均勻的連續統現在就缺失了部分負電荷，此時在空穴處應能檢測到等量的正電荷。更重要的是，逃逸的粒子隨身帶走了負質量，無意間為正質量的湧入創造了契機。

藉此，狄拉克在看不見摸不著的負能量之海掬起了一顆實實在在、兼具正質量與正電荷的微粒，恰與海面上攜帶負電荷的普通微粒兩相呼應。新理論不但絲毫沒有破壞能量守恆，同時還是電荷守恆的最佳佐證。

與當今科學家們都以發掘新粒子為己任不同，在前加速器時代，物理界對新物種的降生普遍持保留態度。在這樣的氛圍之下，一向果敢的狄拉克也猶豫了起來，含含糊糊不願吐露新粒子的芳名。

在好友與前輩的雙重鼓勵下，狄拉克終於邁出了決定性的一步。1931年，他將自己原先迫於壓力勉強塞入負能量之海的質子給挖了出來，在新發表的論文中，公布了「正電子」這一概念——它的質量與電子相當，卻攜帶著與其等量的正電荷。

不僅如此，狄拉克更順勢將「海水」蔓延至整個世界。他解釋道:相對於我們所熟悉的電子而言，創生於空穴的微粒又可稱作「反電子」;那麼運用同樣的手段，只要能量足夠大，當然也可以從真空之中敲出「反質子」——質量與質子相當，卻攜帶著負電荷。有了反質子與反電子，待技術進一步成熟，我們就可利用它們搭建「反原子」「反分子「反物質」……

狄拉克以他舉世無雙的創造力，在天地之間為大家開闢了一整塊「反大陸」，為尋找「反世界」的人們指明了方向。

文源:《時與光：一場從古典力學到量子力學的思維盛宴》

版權歸原作者所有

編輯：祁蕊

相關推薦

《 時與光：一場從古典力學到量子力學的思維盛宴 》

作者：棽棽

清華大學出版社出版

相關焦點

  • 關於保羅·狄拉克的一段歷史
    假若負能態真的存在，為何從來沒人觀察到電子族群從正能態跌落至負能態並釋放大量輻射的壯觀景象呢?而更進一步的矛盾是，既然負能態上還有空缺，世間為何還有那麼多的電子敢於忤逆排布規則，逡巡於高高在上的正能態中呢?又經過長達兩年的思考，狄拉克終於為他筆下的「- E」，找到了一種合乎邏輯的解釋:電子之所以能在正能態中遊蕩，是由於負能態早都已被佔滿了。
  • 什麼是量子力學?
    量子力學是物理學中與非常小的物理學分支。它產生了一些關於物質世界的非常奇怪的結論。在原子和電子的尺度上，許多經典力學方程，描述事物在日常大小和速度下移動的方式，不再有用。在經典力學中，對象存在於特定時間的特定位置。然而，在量子力學中，物體卻存在於概率的陰霾中；它們有一定的機會在A（愛麗絲）點，另一個機會是在B（鮑勃）點等等。
  • 關於量子力學的基本原理
    氫原子光譜等實驗觀測及其規律總結，如裡茲頻率組合原則，角色與熱力學相近，如何構造適當的狀態並給出狀態演化及由之計算實驗觀測結果的規則，相當於統計力學，是量子力學的任務。對照統計力學思考量子力學，有所助益。02 一丁點歷史歷史事實往往與歷史的故事陳說不一樣。
  • 量子力學
    在此之後是1859年古斯塔夫·基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)關於黑體輻射問題的陳述，1877年路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)關於物理系統的能量狀態可以是分立的設想，以及1900年馬克斯·普朗克的量子假說。 普朗克關於能量以分立的「量子」(或能量包)輻射和吸收的假設與觀測到的黑體輻射模式精確匹配。
  • 理察·費曼是如何革命量子理論的,量子力學的時空方法
    包括量子力學路徑積分、量子電動力學理論的發展（包括他著名的費曼圖）、冷液氦超流態、量子計算和納米技術等方面。1965年，他是諾貝爾物理學獎的獲得者之一。圖1：美國理論物理學家、諾貝爾獎得主理察·費曼。美籍加拿大理論物理學家勞倫斯·克勞斯在他關於費曼的傳記中引用了他的話:用新的觀點認識舊事物是一種樂趣。
  • 關於量子力學的基本原理 | 鄭偉謀
    在光具有波粒二象性的啟發下，德布羅意認為，既然在X射線的情形下既有波又有粒子，人們必須把這種二象性推廣到物質粒子，特別是電子。他也注意到，量子現象中的量子數這樣的東西，在力學中很少見，而在波動現象和所有涉及波動的問題中卻經常出現。1923年秋，德布羅意在他提交給巴黎科學院的三篇短文中提出假說，聲稱所有物質都擁有類波動屬性。
  • 物理學的革命,量子力學的建立,以及波動力學的誕生
    他拋棄了玻爾的電子軌道概念及其有關的古典運動學的量，而代之以可觀察到的輻射頻率和強度這些光學量，同時把玻爾的對應原理加以擴充，使它不是用來猜測量子論某一特殊問題的解，而是用來猜測新力學理論的數學方案。這就是矩陣力學，也通稱為量子力學。與此同時，另一個23歲的青年，英國的狄拉克從更高的高度和更廣的視野來考查量子力學的數學形式。狄拉克原是學電工的，19歲大學畢業後因經濟蕭條找不到職業，繼續留校學數學，後轉到劍橋大學研究物理，發表過一系列關於量子論的論文，但他接受海森伯的量子力學思想卻有一個曲折的過程。
  • 火妹科技:行業外的知識:量子力學
    今天我們來談談關於遊戲之外的事情，就如標題所言，我們來談談量子學、量子力學。火妹科技是一家遊戲開發公司，那麼廣大讀者就要問了，為什麼一家遊戲開發公司還要來談量子力學呢？因為，作為遊戲開發公司，也有它領域外的一些感興趣的東西，所以，今天火妹科技就和大家來談談：「量子力學」。
  • 量子力學是唯心論嗎?
    量子力學也是類似問題，一向認為所有量都是連續的，讀到能階，很自然便會問兩個能階之間是什麼？科學的哲學化另一個複雜的概念，是被觀測物體和觀測儀器的關係。一向都認為是無關的，這樣，當然不接受在量子力學中兩者互相影響的概念了。很多人會推崇老子在《道德經》裡的話：「道可道，非常道；名可名，非常名」。
  • 量子力學是描述微觀物質的理論
    量子力學是描述微觀物質的理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎所進行的。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛丁格、沃爾夫岡·泡利、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩裡科·費米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛因斯坦、康普頓等一大批物理學家共同創立的
  • 量子力學入門1
    量子力學是許多物理學分支的基礎，包括電磁學、粒子物理、凝聚態物理以及宇宙學的部分內容。量子力學也是化學鍵理論、結構生物學以及電子學等學科的基礎。量子力學主要是用來描述微觀下的行為，所描述的粒子現象無法精確地以經典力學詮釋。
  • 量子力學是介於經典力學和相對論之間的理論
    糾纏的粒子有驚人的特性，所以它被量子力學拒之門外。這些特性無法被廣義上的量子力學描述，所以一般認為這些特性還不是量子力學的一部分。量子力學不主張非慣性系下的第二宇宙速度，很難用經典理論和量子理論解釋成薛丁格方程，超弦理論和弦論尚未形成其自洽體系量子力學本身有一些體系設定是與經典力學有衝突的。
  • 快速入門量子力學,看這個就夠了
    陌生是因為，儘管自己有所耳聞，但要說清楚「量子力學是什麼」，估計是個掉頭髮的難題。量子力學無處不在，連電視劇都有它的身影。自「量子」概念誕生以來，科學家對它的解釋和討論一直在發展。參與這場討論的科學家，都是世界上頂級的天才。可以說，這是一場關於天才們的遊戲。
  • 量子力學誕生後的120年，沒有人真正懂他
    因為量子世界看起來是如此的不合常理，以及如此的有違直覺，以至於半個多世紀後的1964年，理察·費曼說出了關於那句著名的：「沒有人真正理解量子力學。」沃爾夫岡·泡利將這種矩陣力學應用到玻爾的原子模型中。
  • 量子力學誕生後的120年,沒有人真正懂他
    自馬克斯·普朗克在1900年12月14日創立量子理論以來，物理學家一直對量子力學中的種種發現感到困惑。因為量子世界看起來是如此的不合常理，以及如此的有違直覺，以至於半個多世紀後的1964年，理察·費曼說出了關於那句著名的：「沒有人真正理解量子力學。」觸發量子革命的線索並非來自於對物質的研究，而是來自於輻射的一個問題。
  • 關於「量子力學」的一點個人看法,量子力學本質上是數學
    如果我們懂得它，那我們就可以講量子力學的數學表達式，為了體現更加通俗的意思，量子力學可以是數學中的符號，那個二元一次方程組所以稱為薛丁格方程組。量子力學是作為數學定律，與數學定律的結合體，那些數學是我們從小到大學習的數學，所以他是應該應該以數學的意思去講的。
  • 量子力學簡史
    德布羅意可以說是一個奇才，本來是個研究歐洲歷史的，半路出家學了物理。德布羅意在他五年的研究生生涯幾乎一無事成，他的博士論文也就一頁多一點，他的導師朗之萬拿著他的博士論文不知怎麼辦，就寄給了愛因斯坦，愛因斯坦拿著德布羅意的論文決定很有意思，於是德布羅意就順利拿到了博士學位。        薛丁格看到德布羅意的關於物質波的博士論文，從中受到啟發。
  • 溫伯格:量子力學的困境
    20世紀頭十年間量子力學的發展給許多物理學家帶來衝擊。時至今日，儘管量子力學已經取得巨大成功，關於它的意義與未來的爭論卻仍在繼續。本文是著名理論物理學家Steven Weinberg為紐約書評所撰寫，將於1月19日出版。
  • 當代量子力學:最好少提「波粒二象性」
    在上篇文章裡，我們討論到，量子就是量子，不是所想像的是「波」是「粒」那樣簡單，波粒二象性並不代表量子的全部。這個觀點，確實對於經典量子力學來講，是一個難以接受的觀點。所以，上篇文章得到一些反對的意見。為此，寫這篇文章，算是對於是上篇文章意見與評論的統一答覆，作為上一篇文章的續篇。
  • 什麼是量子力學?愛因斯坦起到什麼作用,量子力學就在我們身邊
    一直存在爭議，對於大部分人來說，聽到關於量子力學的事，估計就是這一句梗了吧：遇事不決，量子力學，解釋不通，穿越時空從這一句話裡不難看出量子力學對於現在的我們是一個很高深，很難懂的學科。那麼量子力學究竟是什麼樣的呢？