4. 空穴理论与正电子
安德逊发现的正电子很快就被科学界所公认， 这一成就也意味着狄拉克理论的胜利。安德逊并不知道， 在他发现正电子的前二年， 英国物理学家狄拉克就已经作出存在正电子的预言。
到本世纪20 年代， 量子力学已经建立了。用量子力学来研究和处理微观粒子的低速运动问题取得了很大的成功。同时， 爱因斯坦建立了相对论则能够讨论粒子的高速运动。不过， 这两个20 世纪最伟大的物理学理论刚刚提出来时， 它们在处理微观物体的运动问题上， 各有不足。量子力学无法解决微观粒子的高速运动， 相对论理论却又对微观粒子的波粒二象性难以处理。
1928 年， 狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发， 提出了电子的相对论性运动方程。这一方程， 现在被物理学家称为狄拉克方程。利用狄拉克方程描述和处理电子的运动， 人们很自然地解释了电子的许多不寻常的性质。比如， 电子在原子中还像陀螺一样不停地自转着， 描述电子这一运动的物理量称为自旋； 电子还像小磁体一样具有磁性， 反映电子这种性质的物理性叫做磁矩， 而且进一步研究表明， 物质的磁性主要来自于电子的磁矩。狄拉克将量子力学和相对论结合在一起， 奠定了相对性量子力学的基础， 这将大大促进微观领域研究的进展。
但是， 狄拉克方程也存在着一个尚未解决的困难， 就是他的方程有正负两个解。这在当时是令物理学家难以理解的问题。这正负两个解的含义是， 电子的能量不仅可能为正值， 而且还可能为负值。也就是说， 不仅允许带正能量的电子存在， 而且还允许带负能量的电子存在。令人惶惑不解的问题是： 一个电子带的能量是负的意味着什么？由于相对论揭示出能量与质量相联系， 即：Ε= mvC2式中，E 表示粒子的能量， mv 表示粒子运动速度为v 时的质量；C 表示光速。
由这个质能关系式可以得到， 负能量就意味着负质量。如果真是这样， 那么就会出现许多离奇的后果。一个具有负质量的粒子带有负的能量， 它运动时的加速度将会同它受到的作用力的方向相反。也就是说， 如果沿一个方向去推这个粒子， 结果呢， 这个粒子却向着相反的方向运动起来， 推的作用变成了拉的效果。更形象一点地描述， 如果用一个具有负质量的物质做成一根钉子， 那么当用锤子敲击这个钉子时， 它不是往墙里钻， 而且从墙里钻出来。你说怪不怪。
在经典物理学中， 一切运动和变化总是连续的， 不存在有负值的能量， 所以对具有负能量的电子， 物理学家是难以接受的。负能困难如何排除， 这是颇使物理学家伤脑筋的问题。有很多人认为， 狄拉克方程中出现负能量是荒谬的， 谁也没有见过奇怪的负能量物体的运动。所以这个负能解是没有实际意义的， 应当像对待代数方程式中没有意义的根那样， 把它舍去。
狄拉克本人则比较谨慎， 他想在刚刚进入的微观新领域， 一些新奇的现象背后可能隐藏着更深刻的本质。他没有逃避负能量的存在， 而是仔细地分析了这个问题。由狄拉克方程可知电子具有正能量的状态可以无限地向上延伸， 同样， 具有负能量的状态也可以无限地向下延伸。由于能量越低， 对应的状态越稳定， 所以， 具有正能量的电子将可能向负能量状态跃迁过去。而且通过狄拉克方程还可以算出正能量电子跃迁到负能状态的几率。一个氢原子中的电子大约有10 -秒这样短的瞬间就能跃迁到负能量状态。普通的客观物体都含有大量的电子， 假若它们都纷纷跳入无底的负能“深渊”， 现实世界的稳定岂不是成了问题。
为了解决这个难题， 狄拉克于1930 年提出著名的“空穴理论”。他认为， 电子是微观世界的成员， 它的性质和行为与宏观物质不同； 在宏观世界里的确没有带负能量的物体， 但不等于在微观世界里不能存在带负能量的粒子。实际中尚未观察到这样的电子， 很可能是因为它处于一种特殊的状态。正是从这样的想法出发， 狄拉克在他的空穴理论中作出了一个大胆的假设： 负能状态的电子不仅存在， 而且填满了整个负能状态， 形成了负能态的电子海。这样来看， 所谓“真空，”并不是空无一物， 而是充满了负能量电子的空间。由于真空中一切可能的负能级都被电子占据了， 正能状态的电子就不能再跌进负能状态的“深渊”。因此， 宏观物体仍是稳定的， 我们的现实世界也不会因存在负能态电子而崩溃。由负能电子所构成的真空就成为一切物理现象发出的背景， 一切物理测量也都是相对于这个背景进行的。所以真空中的负能电子无法从实验中直接观测到。
由这个假设出发， 狄拉克空穴理论得到了两个非常重要的推论。第一个推论是， 如果真空中的一个负能态电子吸收了一个高能γ光子， 它就能跳出“深渊”， 跃迁到正能状态，产生的结果是， 电子从真空中跳出来， 那么就在真空中留下了一个“空穴”。问题在于， 这个“空穴”意味着什么？ 狄拉克在开始时， 把这个空穴解释为质子， 但后来他认识到空穴还是要和电子相对应。负能电子处在真空时， 它不仅具有负的能量， 还有负的质量、负的电荷。当它跳出真空时， 真空中就少了这份负能量、负能量和负电荷。这就相当于真空中多出了一份电子的正能量、正质量和正电荷。因此， 出现了一个空穴， 就相当于出现了一个正能量的粒子。它的质量与电子相同， 只是电荷却是与电子相反的正电荷。狄拉克将这种未知粒子称为“反电子”。这个反电子实际上就是现在都称为正电子的粒子。可以说， 狄拉克通过对他的方程解的解释， 提出空穴理论而预言了正电子的存在。二年后， 这个预言就因为安德逊从宇宙射线中发现了正电子而被证实。
狄拉克空穴理论的第二个推论是， 正电子的产生是伴随着负能电子从真空跳出变成正能电子的过程。又由于负能电子向正能状态的跃迁是吸收了高能γ光子的结果。所以， 从真空跃迁出去的电子和它留下的空穴―――正电子， 是高能光子的一对“孪生子”。换句话说， 就是高能γ光子在真空中可以产生正负电子对。它的相反过程中， 当电子存在运动时， 如果碰上了正电子， 也就是遇到了负能海中的空穴， 它就会跌进这个空穴而被湮灭。同时， 以辐射γ光子的形式，把能量释放出来。这一过程就是正负电子对的湮灭， 并产生γ光子。狄拉克的空穴理论所预言的反电子， 实际上是提出了反粒子的概念， 从这个意义上说， 反电子比正电子要确切一些。正电子就是人类认识的第一个反粒子， 只不过正电子的名称已经约定成俗了。事实上， 粒子都有相应的反粒子， 只有一个特例就是光子。光子的反粒子就是它自己。反粒子和粒子密切相关， 有些性质反粒子和粒子完全一样， 比如， 粒子和它的反粒子有严格相等的质量， 有完全相同的寿命； 有些性质反粒子和粒子正好相反， 比如， 带电粒子与它的反粒子带有相反的电荷， 中子虽然不带电， 但它的内部电磁结构与反中子相反。反粒子最突出的特点是会与粒子发出湮灭； 而且物理学家还证明了反粒子与反粒子彼此结合可以形成反物质。对反粒子的深入认识， 也使某些人产生了恐慌， 假若一个由反粒子组成的反物质星球向我们的地球撞来， 会发生可怕的后果。粒子和反粒子湮灭， 将使反物质星球与地球两败俱伤， 一起化为乌有而产生大量的光子辐射， 太可怕了！ 幸好， 这只是一些人的“杞人忧天”。科学家们通过各种方法已经确认， 宇宙中粒子和它的反粒子的数目是不相等的。在地球上， 只测到极少数来自外层空间的反质子和正电子。当然， 为什么宇宙中粒子与反粒子的数目不相等？ 这还是一个进一步研究的课题。
到本世纪20 年代， 量子力学已经建立了。用量子力学来研究和处理微观粒子的低速运动问题取得了很大的成功。同时， 爱因斯坦建立了相对论则能够讨论粒子的高速运动。不过， 这两个20 世纪最伟大的物理学理论刚刚提出来时， 它们在处理微观物体的运动问题上， 各有不足。量子力学无法解决微观粒子的高速运动， 相对论理论却又对微观粒子的波粒二象性难以处理。
1928 年， 狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发， 提出了电子的相对论性运动方程。这一方程， 现在被物理学家称为狄拉克方程。利用狄拉克方程描述和处理电子的运动， 人们很自然地解释了电子的许多不寻常的性质。比如， 电子在原子中还像陀螺一样不停地自转着， 描述电子这一运动的物理量称为自旋； 电子还像小磁体一样具有磁性， 反映电子这种性质的物理性叫做磁矩， 而且进一步研究表明， 物质的磁性主要来自于电子的磁矩。狄拉克将量子力学和相对论结合在一起， 奠定了相对性量子力学的基础， 这将大大促进微观领域研究的进展。
但是， 狄拉克方程也存在着一个尚未解决的困难， 就是他的方程有正负两个解。这在当时是令物理学家难以理解的问题。这正负两个解的含义是， 电子的能量不仅可能为正值， 而且还可能为负值。也就是说， 不仅允许带正能量的电子存在， 而且还允许带负能量的电子存在。令人惶惑不解的问题是： 一个电子带的能量是负的意味着什么？由于相对论揭示出能量与质量相联系， 即：Ε= mvC2式中，E 表示粒子的能量， mv 表示粒子运动速度为v 时的质量；C 表示光速。
由这个质能关系式可以得到， 负能量就意味着负质量。如果真是这样， 那么就会出现许多离奇的后果。一个具有负质量的粒子带有负的能量， 它运动时的加速度将会同它受到的作用力的方向相反。也就是说， 如果沿一个方向去推这个粒子， 结果呢， 这个粒子却向着相反的方向运动起来， 推的作用变成了拉的效果。更形象一点地描述， 如果用一个具有负质量的物质做成一根钉子， 那么当用锤子敲击这个钉子时， 它不是往墙里钻， 而且从墙里钻出来。你说怪不怪。
在经典物理学中， 一切运动和变化总是连续的， 不存在有负值的能量， 所以对具有负能量的电子， 物理学家是难以接受的。负能困难如何排除， 这是颇使物理学家伤脑筋的问题。有很多人认为， 狄拉克方程中出现负能量是荒谬的， 谁也没有见过奇怪的负能量物体的运动。所以这个负能解是没有实际意义的， 应当像对待代数方程式中没有意义的根那样， 把它舍去。
狄拉克本人则比较谨慎， 他想在刚刚进入的微观新领域， 一些新奇的现象背后可能隐藏着更深刻的本质。他没有逃避负能量的存在， 而是仔细地分析了这个问题。由狄拉克方程可知电子具有正能量的状态可以无限地向上延伸， 同样， 具有负能量的状态也可以无限地向下延伸。由于能量越低， 对应的状态越稳定， 所以， 具有正能量的电子将可能向负能量状态跃迁过去。而且通过狄拉克方程还可以算出正能量电子跃迁到负能状态的几率。一个氢原子中的电子大约有10 -秒这样短的瞬间就能跃迁到负能量状态。普通的客观物体都含有大量的电子， 假若它们都纷纷跳入无底的负能“深渊”， 现实世界的稳定岂不是成了问题。
为了解决这个难题， 狄拉克于1930 年提出著名的“空穴理论”。他认为， 电子是微观世界的成员， 它的性质和行为与宏观物质不同； 在宏观世界里的确没有带负能量的物体， 但不等于在微观世界里不能存在带负能量的粒子。实际中尚未观察到这样的电子， 很可能是因为它处于一种特殊的状态。正是从这样的想法出发， 狄拉克在他的空穴理论中作出了一个大胆的假设： 负能状态的电子不仅存在， 而且填满了整个负能状态， 形成了负能态的电子海。这样来看， 所谓“真空，”并不是空无一物， 而是充满了负能量电子的空间。由于真空中一切可能的负能级都被电子占据了， 正能状态的电子就不能再跌进负能状态的“深渊”。因此， 宏观物体仍是稳定的， 我们的现实世界也不会因存在负能态电子而崩溃。由负能电子所构成的真空就成为一切物理现象发出的背景， 一切物理测量也都是相对于这个背景进行的。所以真空中的负能电子无法从实验中直接观测到。
由这个假设出发， 狄拉克空穴理论得到了两个非常重要的推论。第一个推论是， 如果真空中的一个负能态电子吸收了一个高能γ光子， 它就能跳出“深渊”， 跃迁到正能状态，产生的结果是， 电子从真空中跳出来， 那么就在真空中留下了一个“空穴”。问题在于， 这个“空穴”意味着什么？ 狄拉克在开始时， 把这个空穴解释为质子， 但后来他认识到空穴还是要和电子相对应。负能电子处在真空时， 它不仅具有负的能量， 还有负的质量、负的电荷。当它跳出真空时， 真空中就少了这份负能量、负能量和负电荷。这就相当于真空中多出了一份电子的正能量、正质量和正电荷。因此， 出现了一个空穴， 就相当于出现了一个正能量的粒子。它的质量与电子相同， 只是电荷却是与电子相反的正电荷。狄拉克将这种未知粒子称为“反电子”。这个反电子实际上就是现在都称为正电子的粒子。可以说， 狄拉克通过对他的方程解的解释， 提出空穴理论而预言了正电子的存在。二年后， 这个预言就因为安德逊从宇宙射线中发现了正电子而被证实。
狄拉克空穴理论的第二个推论是， 正电子的产生是伴随着负能电子从真空跳出变成正能电子的过程。又由于负能电子向正能状态的跃迁是吸收了高能γ光子的结果。所以， 从真空跃迁出去的电子和它留下的空穴―――正电子， 是高能光子的一对“孪生子”。换句话说， 就是高能γ光子在真空中可以产生正负电子对。它的相反过程中， 当电子存在运动时， 如果碰上了正电子， 也就是遇到了负能海中的空穴， 它就会跌进这个空穴而被湮灭。同时， 以辐射γ光子的形式，把能量释放出来。这一过程就是正负电子对的湮灭， 并产生γ光子。狄拉克的空穴理论所预言的反电子， 实际上是提出了反粒子的概念， 从这个意义上说， 反电子比正电子要确切一些。正电子就是人类认识的第一个反粒子， 只不过正电子的名称已经约定成俗了。事实上， 粒子都有相应的反粒子， 只有一个特例就是光子。光子的反粒子就是它自己。反粒子和粒子密切相关， 有些性质反粒子和粒子完全一样， 比如， 粒子和它的反粒子有严格相等的质量， 有完全相同的寿命； 有些性质反粒子和粒子正好相反， 比如， 带电粒子与它的反粒子带有相反的电荷， 中子虽然不带电， 但它的内部电磁结构与反中子相反。反粒子最突出的特点是会与粒子发出湮灭； 而且物理学家还证明了反粒子与反粒子彼此结合可以形成反物质。对反粒子的深入认识， 也使某些人产生了恐慌， 假若一个由反粒子组成的反物质星球向我们的地球撞来， 会发生可怕的后果。粒子和反粒子湮灭， 将使反物质星球与地球两败俱伤， 一起化为乌有而产生大量的光子辐射， 太可怕了！ 幸好， 这只是一些人的“杞人忧天”。科学家们通过各种方法已经确认， 宇宙中粒子和它的反粒子的数目是不相等的。在地球上， 只测到极少数来自外层空间的反质子和正电子。当然， 为什么宇宙中粒子与反粒子的数目不相等？ 这还是一个进一步研究的课题。
