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物理世界奇遇记14

14 虚空中的空穴

反物质的第一个例子,就是我在前几次演讲中已经提到过的正电子,我想先指出一个很有启发性的事实,这就是,这种新粒子的存在是在实际探测到它的好几年前,人们就已经根据纯粹的理论考虑加以预言的,不仅如此,由于人们从理论上预见到它的一些主要性质,这对于从实验上发现它也有巨大的帮助。

为了勉强摆脱这个难解的问题,有人可能会一下子就说,这只不过是电子恰好不喜欢负能量的量子态,它们由于某种原因,就让这类量子态永远空着。但是,这是说不通的。我们已经知道,虽然在原子中电子有一些量子能态可以占有,但是,电子总是自然地倾向于跳到最低的可用能态并把它的能量辐射出去(除非这个能态已经被别的电子所占有——根据泡利不相容原理,这时它就无法再跳进去了)。既然如此,我们就应该想到,所有的电子都会随时从较高的正能态跳到较低的负能态。难道它们的举止全都不合规矩吗?!

作出这种理论预言的荣誉归于英国物理学家狄喇克。他利用爱因斯坦的相对论,结合量子理论的一些要求,去推导电子的能量下的公式。在快要完成计算时,他得到了E2的表达式。这样,最后一步就在于取这个表达式的平方根,找出同E本身相对应的公式。大家知道,在取平方根时,通常有两个不同的可能值:一个是正的,另一个是负的(例如,4的平方根可以是+2,也可以是-2)。在解决物理学问题时,人们习惯于认为负值“没有物理意义”而不加以考虑,换句话说,就是仅仅把它看作是一种没有任何意义的数学怪物。在上面所说的这个特定的场合下,负解应该同具有负能量的电子相对应。大家别忘了,按照相对论,物质本身是能量的一种形态,所以,具有负能量的电子就意味着它具有负的质量。而这简直是不可思议的!如果你对这样的粒子施加一个引力,它就会离你而去;如果施加的是推力,它却会朝你奔过来——这是同“可以触摸到的”带正质量粒子的行径完全相反的。当然,完全可以认为,我们有充分的理由把那个方程的负解看做是“没有物理意义的”。不理睬它!

狄喇克所提出的解决办法可能是极其奇怪的。他认为,我们所熟悉的电子之所以没有跳入负能态,是因为所有的负能态全都已经被占满了——无穷多个负能态已经被无穷多个带负质量的电子占满了!如果事情确实如此,那么,为什么我们看不到它们呢?严格他说,这是因为这样的电子实在太多太多了。它们形成了一个完整的连续统。这些电子处在一个完全规则、完全均匀分布的“真空”里。

他开始做起白日梦了。他好像是变成一条鱼,在水中度过他的一生。他感觉到海上清爽的微风和轻轻荡漾着的碧波。但是,尽管他游泳游得很好,却无法使自己保持在海面上而开始越来越深地往下沉。奇怪的是,他并没有感到缺乏空气,反而觉得十分舒服。“可能,”他想,“这是一种特殊的隐性变异的效果。”

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一个完整的连续统是探测不到的。你无法指着它说“它就在这里”。它是无所不在的。不管在什么地方,它都不会比别的地方多一点或少一点。当你通过它进行运动时,你不会觉得在你的前面它的密度集结得大一些,在你的后面留下了“空隙”——汽车通过空气行驶、鱼儿通过海水运动的情形就是这样。因此,它对运动不会产生任何阻力……

他的思路被海洋深处某个地方的一段对话打断了,进行对话的是一条海豚和一个典型的人。汤普金斯先生认出,这个人是剑桥大学的物理学家狄喇克,因为他过去曾经看见过他的照片。

听到这里,汤普金斯先生觉得头晕脑涨了。一种真空——完完全全的虚空——被某种什么东西完全占满了!它就在你的周围,甚至还在你的体内,可你就是看不到它!

今天晚上我们要讨论一个特别吸引人的题目——反物质。

威斯尼斯人官网 ,狄喇克的精明之处就在于他并没有采取这种思路。他认为,电子不仅可以有无穷多个不同的正能量量子态,并且也可以有无穷多个不同的负能量量子态。问题是:电子一旦处于负能量量子态,它就必定会显出负质量特有的表现,而这样的事物当然是从来没有观察到的。那么,假设中的这种古怪的带负质量电子到底在哪里呢?

女士们、先生们:

据古生物学家们说,生命是从海洋中开始的,在鱼类当中,第一个移栖到干燥陆地上的先锋是所谓肺鱼,它爬到海滩上,靠它的鳍爬行。据生物学家们说,这种最早的肺鱼后来逐渐进化成陆居动物,像老鼠,猫,人等等。但是其中有一些,像鲸类和海豚,在已经学会克服陆上生活的一切困难以后,又回到海洋里去了。它们回到水里以后,仍然保存了它们在陆上斗争中所需要的那些优点,并且仍然是哺乳动物,雌鲸和雌海豚在体内怀胎,而不是只甩出鱼子,再由雄性授精。那个名叫斯齐拉德的著名匈牙利科学家不是说过,海豚的智力比人类还要高吗?!

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