量子科学2020-02-13
量子怪狄杰
保罗·狄拉克，英国理论物理学家，量子力学的奠基者之一。
1931年，狄拉克在求解自由电子的动量和能量方程时，出现了正、负能量两种解。
面对这个奇异的问题，他做出假设：
如果宇宙中充满各种能态的电子，那首先该充满的应是负能态，因为这种能态的能量最低。
只有这种负能态充满了，才会有正能态电子的分布。
整个宇宙应充满无数多的负能态电子，可以把它叫作“海洋”。
当处于正能态的电子从这一“海洋”里逃离出来时，“海洋”里就会留下一个“空穴”，所以海洋里也充满这种“空穴”。
既然跳出来的是电子,那留下的“空穴”就可能是一个尚未被发现的粒子，它应该与电子具有相同的质量,但它有正的电量，是电子正能态的一种镜像，即“反电子”。
他进一步预料：当正电子和负电子相遇时，会发生湮灭而产生光子。相反，一对光子的湮灭，会产生出一对正电子和负电子。
负电子和正电子（图片来源于网络）
1932年，加州理工学院的安德森通过实验，发现了正电子的存在。紧接着不到4年的时间，就有大约4万多例实验反复证明了正电子的存在。安德森说：“只要你正视狄拉克理论的价值，只要你有较好的实验设备，几乎任何一个实验者，都可以每天看到正电子的存在。”
把“空穴”看成是具有实质性的东西，即便是专业的物理学家，都是难以接受的事。直到1933年，量子力学界终于承认了正电子的存在，承认了正电子和负电子可以成对地从真空中产生出来。
狄拉克的“空穴”负能态，表征着一种新的物理图像。
时间是什么？
空间是什么？
物质是什么？
这是科学要回答的最基本的问题。这三个基本问题每一次突破，都会带来革命性的科学和技术变革。
爱因斯坦突破绝对时空观建立相对论，核技术、导航技术等深刻地影响着人类的生产生活。
普朗克、波尔等打破连续平滑的时空观念，建立量子力学，半导体、激光等技术产生，电脑、手机成为现代人生活形影不离的东西。
相对论与量子力学的时空观的矛盾很尖锐。相对论的空间是连续的，而量子力学的空间是离散的。相对论的时间与空间是有机联系的，物质加速运动会导致空间缩小、时间变慢，而量子力学的时间是离散的，但不涉及物质加速运动对时间的影响。相对论和量子力学的矛盾，集中体现在对引力的看法上。相对论认为引力是时空弯曲的表现形式，而量子力学认为力的传递需要交换粒子，引力是物质之间相互交换引力子。直到现在，引力子都没有被发现，引力波则被发现了。
双黑洞合并产生引力波（图片来源于网络）
“空穴理论”的提出和被证实，或许，可以推导出“物质是一种特殊的时空结构”的结论，“物质”和“时空”会因为“空穴理论”而走向高度统一。时空和物质观念的突破，需要长期的理论和技术的积累。相对论和量子力学创立已经一百多年了，让我们拭目以待吧！
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