狄拉克如何意外揭开反物质世界

参考消息网8月23日报道美国趣味科学网站8月6日刊登题为《最神奇的物理学方程式：保罗·狄拉克如何意外揭开反物质的奇异世界》的文章，作者是马库斯·乔恩。主要内容如下：

英国理论物理学家保罗·狄拉克是量子物理学早期最重要的人物之一，他与埃尔温·薛定谔共同获得了1933年的诺贝尔物理学奖。但早在1927年，他那冷静而聪明的头脑便开始寻找“优美的数学计算”，并在此过程中形成了他最伟大的成就之一——狄拉克方程式。

理论先驱

(资料图片)

大自然选择了将构成它的基本物质的数量增加一倍。对于每种亚原子粒子来说，都存在一种与之特性相反(比如相反电荷)的“反粒子”。但在1927年之前，从来没有人猜测过这样一个“反物质”世界的存在。就在那一年，英国物理学家保罗·狄拉克写下了一个方程式，描述了接近光速的电子运动，并注意到其中包含了某种奇怪的东西。

狄拉克是量子理论的先驱之一，量子理论对原子及其构成的亚微观世界进行了革命性描述。这一理论调和了20世纪上半叶各种实验所揭示的两种看似矛盾的世界特征：原子和类似的微观粒子，既有粒子属性又有波动属性。

1926年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔用薛定谔方程概括了这一特性，这个方程描述了量子波在空间中的传播。该方程的问题在于，它未能结合20世纪物理学的另一次革命。爱因斯坦在1905年提出相对论时证明，当一个物体的速度接近光速时，时间和空间会发生奇怪的变化。虽然薛定谔方程可以完美描述一个小原子中的电子——原子核里为数不多的质子的电场力，使其以远低于光速的速度运行，但在更重的原子中，原子核拥有大量质子，电子以接近宇宙速度极限的速度运动，这时，该方程就失效了。这种情况需要一个包含相对论的方程——这就是狄拉克想要寻找的。

科学怪人

狄拉克是一个怪人，如果他生活在今天，很可能被诊断为自闭症。他身材又高又瘦，让人不免联想到竹节虫。他几乎每天都全身心地投入研究，但到了周日这天，他会在剑桥周边的乡下走很久，在这期间，他可能穿着西装领带去爬树。他不善言辞。有一次，一位学生在他的讲座上提问：“狄拉克教授，我看不懂你黑板上写的方程式。”他回答，“这是你的评论，不是一个问题”，然后继续讲他的课。

狄拉克研究物理学的方法同他的性格一样独特。其他物理学家试图在日常生活中寻找他们想要描述的现象，再尝试将其转化为数学式，但狄拉克直接拿起纸笔推算。

他说：“我的一个独特之处就在于，我喜欢玩方程式，寻找可能根本没有物理学意义的美丽的数学关系。但有时候，它们是存在物理学意义的。”

1927年11月底，狄拉克在圣约翰学院那个简朴的房间里寻找“优美的数学”时，写出了后来的“狄拉克方程式”。如今，它是伦敦威斯敏斯特教堂刻在石碑上的两个方程式之一，另一个是斯蒂芬·霍金的黑洞温度公式。

美国物理学家弗兰克·威尔切克说：“在所有的物理学方程式中，最神奇的可能要数‘狄拉克方程式’。它是最自由的发明，它最不受实验制约，有着最奇怪也最令人吃惊的结果。”

狄拉克发现，用一个单纯的数字来描述相对论的电子特性(比如它的能量)是不可能的，所以只能用一个2×2的矩阵。这种“二重性”解释了电子的一个令人费解的特性。

实验表明，粒子在以顺时针或逆时针两种方式之一旋转。然而，如果一个电子真的在旋转，它的行为只有在旋转速度超过光速时才能被理解，但爱因斯坦认为，电子旋转速度不可能超过光速。物理学家被迫断定，电子的“自旋”是一种全新的东西。它是一种内在的量子属性，在日常世界中找不到类比。

而狄拉克直接抛出了这个公式。他说：“我的方程式赋予了电子需要具备的特性。这对我来说真的是意外收获，完全出乎意料。”

美国物理学家约翰·哈斯布鲁克·范弗利克认为，狄拉克对电子自旋的解释堪比“魔术师从帽子中变出兔子”。

成就巨大

自旋很奇怪。但是，狄拉克方程式所揭示出来的另一方面更奇怪。当狄拉克写下他的方程式时，他注意到，它的结果似乎不仅描述了一个带负电的电子，还描述了一个质量相同的带正电子的粒子。在当时，已知的亚原子粒子只有3个：原子核中的质子；围绕原子核运动的电子；光子，即光粒子。似乎没有另一种粒子存在的必要。就连当时的维尔纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利等伟大的物理学家都认为，狄拉克方程式一定是错的。然而，狄拉克是对的，他们才是错的。不久之后，在距剑桥8000公里的地方进行的一次实验，证明了这一点。

1932年，美国加州理工学院物理学家卡尔·安德森正在进行宇宙射线的研究，所谓的宇宙射线即来自太空的极高能粒子。安德森预计，它们会撞向大气中的原子，把电子抛出去。他推测，如果能测出这些被抛出的电子的能量，就可以算出宇宙射线的能量。为此，他利用一个极强的磁场弯曲电子，推断如果它们的能量很高，而且移动速度很快，那么它们就几乎不会在磁场附近停留。

安德森通过一个“云室”让电子清晰可见。1932年8月2日，安德森发现了一个被磁场弯曲方向与电子相反、但质量与电子相同的粒子。他对狄拉克的预测一无所知。尽管如此，他还是偶然发现了狄拉克预言的带正电的电子，他随即将这种粒子命名为“正电子”。