量子力学的应用(3):狄拉克之海

为何狄拉克之海单独说呢?因为对它印象深刻,很有意思。那么什么是狄拉克之海呢?

前文讲到,狄拉克方程有一个负能量的解,一般认为负能量的解是没意义的,都会自动舍掉,可狄拉克认为是有意义的。

我们知道电子的最低能级的轨道是第一层,最多可以排两个电子。能级越低,电子越稳定,所以电子总是优先排第一层,由于泡利不相容原理,第一层被电子占据了,其他电子就只能排高能态的轨道。比如说,第二层,第三层等等。那么负能级又是什么鬼呢?

其实负能级就是比第一层还靠前,狄拉克认为负能级是存在的,只是它已经被电子所占满,所以电子不能跃迁到负能级,真空中充满了负能级。那么怎样证明负能级真的存在呢?

如果我们用高能粒子轰击,负能级的电子可以被轰出来。这样负能级上就存在一个空穴,它是带正电的,质量与电子相同,这就是正电子,正电子是电子的反粒子。后来科学家真的发现了反电子,甚至所有的粒子都有对应的反粒子,比如反质子、反中子、反夸克。反粒子与所对应的粒子在质量、自旋、平均寿命和磁矩大小都相同;如果带电。两者所带电量相等而符号相反。磁矩和自旋的取向关系也相反。反粒子与所对应的粒子相遇就发生湮灭而转变为别的粒子。

值得注意的是,从这种意义上来讲,真空并不空,如果真的是负能级,它是怎么形成的呢?它应该是与宇宙起源密切相关的,毕竟宇宙中最浩瀚的是真空啊!所以弄懂了真空也就弄懂了宇宙的起源。宇宙诞生之初肯定是没有真空的,我们只是关注恒星、行星的演化,并没有关注真空怎么形成。

真空可以轰出来正负电子,正负物质湮灭是不是可以产生真空?宇宙的秘密也许隐藏在狄拉克之海中。

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