量子物理 這位先生一不小心發現了反物質

1928年，一位年輕人走上了德國的一個舞台，準備發表他近期工作的演講。 他的演講風格略顯特別。物理學家尤金·維格納將這場演講描述為 冷漠地，幾乎像在背誦一篇技術性文字。他說那人說話時毫無感情。 享受自己演講的神情。但這位奇怪而樸實的男子所呈現的作品卻是關於 讓20世紀一些最著名的量子物理學家陷入混亂。 lecture 後，維納·海森堡將這位男士的理論描述為 現代物理學中最令人傷感的一章。海森堡也寫信給尼爾斯·玻爾，說道， 我覺得目前的情況非常荒謬，基於此，幾乎是出於絕望， 我已經轉向另一個領域。據傳，沃爾夫岡·泡利甚至曾宣布過 他放棄了量子物理學。接著，他開始撰寫一部烏托邦小說。 那年輕人說了什麼，竟如此深刻地擾亂了量子力學的世界？ 好吧，他當時正在解決一個物理學家至今仍在努力攻克的問題。 愛因斯坦相對論與量子力學的統一。而他的研究揭示了 一件令人不安的事，一種在世上前所未見的粒子，一種具有負能量的粒子。 1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表了他的狹義相對論。該理論建立在一個簡單的基礎之上。 一個想法是，對於任何以恆定速度移動的人而言，物理定律應當相同。而這個 包括光速的任何測量。因此，無論你相對於其他物體如何運動，這都沒有影響。 對於一束光，你測量到的速度應為每秒三億米。 這意味著我們通常視為固定不變的事物，例如時間與空間， 必須進行變換，使得光速始終被測量為同一個值。 在作出這一發現的過程中，愛因斯坦意識到，空間和時間其實並非真正分離的。 根本沒有任何維度。它們連結在一個稱為時空的四維結構中。 當愛因斯坦將這個概念應用於一個發射光的物體時，他發現了一件奇特的事情。 當一個物體透過發射光子而損失能量時，其質量也必須減少。而變化量為 該物體的質量等於所發射光子的能量除以光速。 平方。換句話說，他發現能量必須等於 mc 平方。E 等於 mc 平方。 因此，一個粒子的總能量來自於它的動量和靜止質量。 建立能量與動量之間的新關係。 現在，如果我們對兩邊同時開平方根，就能得到粒子能量的表達式。 就其質量和動量而言。如果我們在單一維度上繪製能量對動量的圖形， 我們得到這條曲線，其中 mc² 為該物體的靜止質量能量。 是能量的最低可能值。但實際上，當我們開平方根時， 我們本該在前面加上正負號，這樣就會得到兩條曲線。 一個用於正能量，另一個用於負能量。但我們並不會觀察這些事物 能量低於零的狀況。我的意思是，這甚至會是什麼意思呢？所以在經典物理學中 解決方案很簡單。你只要忽略那些負面能量的解即可。它們在物理上是不可能的。 代表任何事物。對吧，卡斯珀？嗯，當然，聽起來沒錯。但就在同一時期， 愛因斯坦正提出他的狹義相對論時，物理學家們開始惊覺一些現象 原子物理學中一些奇怪的現象，正在推翻所有這些經典假設。 首先，他們注意到，當觀察亞原子粒子的能量層級時，例如 電子根本不是連續的，它們是離散的。而且它們的行為也不僅僅如此。 作為波，而不是粒子。因此，如果你將電子射向兩個狹窄的縫隙， 那麼他們就會產生類似光線的干涉圖樣。他們所發現的是 量子力學的新領域。1926年，歐文·薛定諤透過提出相關理論，正式建立了這一領域。 提出他如今著名的波動方程，用以描述量子力學系統的演化 隨著時間的推移，這成為了20世紀最激進的新理論，並且將一直保持這一地位。這 不是一點像牛頓，也不是一點像麥克斯韋。這完全是前所未有的。方程的解 稱為波函數的 psi，並不能描述一個具有精確位置與動量的粒子， 如同經典定律所預期的那樣，但相反地，模的平方可以給出找到該狀態的機率。 在特定時刻位於特定位置的粒子。推導薛定諤方程實際上是 出人意料地簡單。首先，從寫下總能量開始，對於自由粒子而言 僅是其動能，即二分之一 mv 平方。我們可以將其改寫為動量的形式， 動量乘以速度。因此，動能等於動量的平方除以2m。 現在，我們將讓這一切變得量子化。要做到這一點，我們需要兩樣東西。第一樣 波函數 ψ 描述了粒子在量子尺度下表現出波動行為的方式。 第二個稱為量子運算子。這只是一個數學工具。 從波函數中提取資訊，以揭示粒子的特定性質。 如同其位置、能量或動量一樣。能量與動量的算符看起來像這樣。 透過輸入這些算符，我們可以使方程式的每一側作用於波函數。 這就給出了自由粒子的薛定諤方程。對於非自由粒子， 就像電子和原子一樣，你也需要考慮勢能。 這就給出了完整的薛定諤方程。薛定諤方程預測了所觀測到的結果。 比以往任何模型都能更精確地描述電子和原子的能量級別。 但有些地方它無法產生正確的預測。 例如，以金元素為例，薛定諤方程式顯示它本應如此。 呈銀灰色，就像其他金屬一樣。但並非如此。我的意思是，它是金色的。 至於汞，薛定諤方程預測它在室溫下應當是固體。 但它是一種液體。那問題出在哪裡呢？讓我給你一個提示，因為金和汞都…… 重元素。它們的原子核中含有大量質子，這些質子會吸引周圍的電子。 更強烈地被吸引。因此，如果你從經典的角度思考，電子會被 更緊密地束縛在內，它們的運行速度將比其他元素中的更快。而且對於 在某些軌道上的電子，其速度開始接近光速。 那麼，讓我們回到薛定諤方程。在那裡，我們有動能為 p 的平方 超過 2 公尺。但對於以接近光速的相對論速度運動的粒子而言，該方程式則不適用 不對，正確的方程式是相對論中的能量-動量關係。 薛丁格方程式與banana相對論理論不一致，因此從技術上來說，它並非 好的。這個解決方案看起來相當簡單。只需從相對論能量-動量出發。 關係並利用它推導出新的波動方程式。這正是物理學家所做的。 奧斯卡·克萊因在1926年所做的事。他沿用了薛定諤所使用的相同能量與動量算符。 使用並發現了這個方程式。克萊因的工作得到了許多同事的廣泛認可。 事實上，後來發現另有兩位物理學家，華特·戈登和弗拉基米爾·福爾克， 在同一年，他獨立推導出了相同的方程式。此方程式後來被稱為克莱因-戈登方程式。 方程式，這對法爾克來說有點難堪。克萊因-戈登-法爾克方程式甚至一路傳了出去。 轉向量子物理學的奠基人之一尼爾斯·玻爾，他想必留下了深刻印象。 因為在1927年的索爾維會議上，波耳正與一位前途光明的年輕物理學家閒聊。 關於他正在從事的工作。那年輕人說：我正在嘗試建立一個相對論理論。 電子的問題。玻爾回答道，但克萊因已經解決了這個問題。這位年輕人 不同意。那麼，這位大膽的25歲青年是誰呢？他就是保羅·狄拉克，一位後來玻爾將會認識的人。 給他取個綽號，叫「最奇怪的人」，因為他確實是獨一無二的。我第一次去 我到普林斯頓時，遇到一對夫婦，他們邀請了狄拉克和他的妻子。整個晚餐期間，狄拉克都保持沉默。 持續了三個小時，一句話也沒說。一個字也沒說。他並不是生氣鬧脾氣。他並不是 生氣。他剛才根本找不到說話的理由。這簡直瘋了。狄拉克這個人話向來這麼少，以至于他的 同事們發明了一個特殊單位，稱為「狄拉克」，相當於每小時說一個字。 傳說還提到，他喜歡穿著三件式西裝爬樹放鬆。 而且這還不是他唯一的怪癖。在讀書期間，狄拉克曾參加過愛因斯坦的研討會。 相對論，而且他對這理論產生了某種程度的喜愛。他對其優雅之處印象深刻。 以及其數學之美。對狄拉克而言，這才真正觸及了一個優良理論必須做到的核心所在。 他曾說過，方程式之美比符合現實更重要。 實驗。你知道為什麼狄拉克對相對論如此著迷嗎？愛因斯坦已經把一切都完成了。 並非全部，但幾乎全部皆透過演繹推理。這給狄拉克留下了極為深刻的印象。他意識到 高等數學對於理解自然運作的方式確實非常重要。 因此，狄拉克發現了一個新嗜好，沉迷於將愛因斯坦的理論不斷更新到經典方程式中。 相對論，使其也能適用於相對論性情境 接近光速的人。他後來說，這對他而言就像一場遊戲。 因此，他試圖這麼做也就不足為奇了。 在他看來，能夠同時涵蓋這兩者的理論才真正美麗。 狄拉克並未看出克萊因、戈登和福克對薛定諤方程的相對論性修正中的美。 方程式，而他並非孤身一人。物理學家沃爾夫岡·泡利在讀過克莱因的論文後， 給他寫了一封信，祝他物理學界早日康復。保羅i以性格尖銳著稱， 其實，克萊因-戈登方程在某些情況下是有用的，但他和狄拉克都感到擔憂。 其中一個特別之處在於這條方程式，而這正是因為克萊因-戈登方程式 包含這個術語。這是一個二階時間微分，因此波函數正在 對時間二次微分。現在，請記住，薛定諤方程式還包含 二階導數，但那是針對空間，而非時間。時間僅為一階。因此， 這為什麼會是一個問題呢？想想一個非常簡單的二階時間導數， 例如 d²y/dt² 等於 3。現在，要找出 y 的值， 滿足此方程的函數，我們只需對其積分兩次即可。 但請注意，為了求解，我們現在有兩個積分常數，分別是 c 和 d。問題在於 我們只能在知道某一時刻的 y 值以及其一階導數的情況下，才能找到它。 某一時刻的 y 值。如果你想像一下，例如扔出一個球的情況，這在物理上是合理的。 空氣。如果你想預測球未來的運動，那麼你就需要知道你 把它扔出的位置，就是它的位置；你扔它的力度，就是它的速度。或者用另一种说法， 你需要知道位置以及位置的一階導數。 同樣地，為了利用克莱因-戈登方程預測量子系統的未來狀態， 你需要初始波函數以及波函數的初始一階導數。 現在，薛定諤方程式的美妙之處在於，只要你了解一個系統的波函數， 在某一時刻，你可以利用它來確定該系統的所有未來狀態。 但在柯林-高頓方程中，波函數已無法完整描述整個情況。 這引入了一個更進一步的問題。在給定區域內找到一個粒子的機率 該區域不能再像之前那樣僅用波函數的模來描述了。 薛丁格方程式。對於克萊因-高登方程式，需要一個新的方程式來描述 使用波函數計算機率，這需要一段時間來推導。因此我們不會深入探討 這裡的情況是這樣，但看起來卻像是這樣。而這個方程式的問題在於，與簡單的情況不同 波函數的模，可能會出現負值解，負的概率。 某件事發生的機率怎麼可能低於零呢？正如狄拉克所說，這當然是不可能的。 這在物理上毫無意義。因此，狄拉克做了他最擅長的事，他開始尋找自己的解決方案。 其中不包含二階時間導數。首先，他將相對論性能量-動量重新寫出。 這種關係是線性方程式，因此不對 E 進行平方，也就是說，不進行平方運算。 能量運算子，正是導致那二階時間微分出現的原因。 克萊因-戈登方程。現在他只需要解這個方程，並找出係數 α(x)， αy、αz 和 β，他便會得到一個解。為達此目的，我們可以從平方開始。 方程兩側。接下來，我們可以將左側的動量展開為其三個分量。 尺寸，然後展開右邊，最終得到這個長方程式。它看起來可能像 相當複雜，但我們可以使用一個技巧。請注意，右邊的所有項 右側乘以 Pmc3，但左側並無包含 Pmc3 的項。因此 告訴我們，當你將這些係數相乘時，例如 alpha 乘以 beta，以及 beta 乘以 所有係數 α 都必須為零。同樣地，請注意這些項都乘以二。 不同的動量，例如 Px 和 Py 乘以 c 平方，同樣在左側沒有對應的量。 因此，這些 α 乘以 α 的項也必須等於零。這就只剩下最上面的項了。 這些項在兩側完全匹配，這告訴我們 αx² 必須等於 一，因此 αy²、αz² 和 β² 也必須如此。於是，狄拉克現在得到了一組 他只需要解出關於 alpha x、alpha y、alpha z 和 beta 的聯立方程。 這聽起來很簡單，對吧？但事情並沒有那麼直接。要明白原因，讓我們來做一些 例如，設 alpha x 等於 1，beta 等於負 1。那麼我們得到 1 的平方，也就是 1， 等於負1的平方，也就是1，因此滿足第一個方程式。但如果我們代入的話 這裡，我們得到 1 乘以 -1，就是 -1，再加上 -1 乘以 1，結果還是 -1。 總共為負2。這樣行不通。那我們試另一個數字。假設 αx 為 1， 現在是 alpha z 等於負 1。在這種情況下，我們得到 1 乘以負 1，因此再次得到負 1。 加減 1 乘以 1，再次減去 1，因此我們再次得到負 2。事實上，如果你觀察這個頂部 方程式中，唯一滿足此關係的數字是 1 和負 1。因此，所有這些係數 必須是 1 或 -1。但如果你填入這個值，那麼唯一可能的答案就只剩下兩個。 這些方程式得出的結果是負2或正2。現在，給出這些結果的兩個方程式是 問題在於這兩點，這是因為 α 乘以 β 與 β 乘以 α 是相同的，所以 你總會得到負2或2。因此，要擺脫這種情況的唯一辦法，就是以某種方式讓 乘法的順序是有影響的。但你究竟在哪裡會遇到這種情況呢？讓我們來想想看。 一個非常簡單的向量，例如 x 方向為 1，y 方向為 2。如果我將這個向量進行反射 沿著直線 y 等於 x，然後將其關於 x 軸反射，我得到這個結果。但如果我重新開始 相反地，先關於x軸反射，再關於y等於x的直線反射，我得到這個，這就是 完全不同。因此，順序很重要。我們如何用數學方式表達這一點？我們需要一些 以單一係數來表示如反射之類的變換，這意味著我們需要 矩陣。矩陣是包含這些變換資訊的數字陣列，告訴我們 如何在每個維度上進行反射、旋轉、拉伸或壓縮。數學上，我們執行的順序 這很重要，因為我們將第一個矩陣的列與第二個矩陣的行相乘。 一個關於 y 等於 x 進行反射的矩陣如下所示，而一個關於 x軸看起來是這樣的。如果我一個接一個地將它們應用到原始向量上，你會看到其中的變化。 我們最終得到不同的結果。其實，在量子力學中使用矩陣並非如此。 完全脫離現實。狄拉克早已看到維爾納·海森堡以這種方式完成過，儘管這位新晉的夥伴，實在不太可能。 朋友。狄拉克和海森堡是性格迥異的兩個人。海森堡風趣迷人，性格外向。 狄拉克討厭社交和閒聊。有一次，兩人一同搭乘遊輪前往一場研討會。 海森堡在船上花了大量時間與女性共舞。因此狄拉克問他， 你為什麼跳舞？海森堡回答：當有漂亮的女孩在場時，那是一種樂趣。狄拉克則認為 在說出之前，先考慮一下，你怎麼能事先知道那些女孩是好的呢？ 所以他們是兩位非常不同的人，但海森堡對狄拉克產生了深遠的影響。 你知道是什麼讓他最初對量子力學產生興趣嗎？他總是這麼說。海森堡給了 他總是這麼說。晚年時，他七十歲仍會開始演講。 即使80歲，仍以以下言辭說道：量子力學是由海森堡發現的。 作為一名博士研究生，狄拉克一直密切關注海森堡的研究。幾年前， 海森堡發現，對於某些性質，例如位置與動量， 乘法的順序很重要。因此，x 乘以 p 不等於 p 乘以 x。 這實際上是海森堡著名不確定性原理的起點， 這表明我們無法精確地同時了解某些物理性質的配對。 在量子系統中，結果發現，若兩個性質的乘法順序具有意義， 如同位置與動量一樣，這表示它們之間存在著本質上的不確定性。 綜合測量。我們測量它們的順序會改變結果。海森堡的導師， 馬克斯·玻恩建議，他可以用矩陣來數學地表示這一點， 因為在那裡，乘法的順序也具有意義。這引導海森堡發展出一種新的形式。 量子力學，雖然在數學上與薛丁格方程式等價，但它是 基於矩陣代數。狄拉克在其係數中察覺到類似之處，其中順序為 乘法顯然至關重要。因此他認為矩陣或許是解決之道。對於他的係數而言， 他試用了 2x2 矩陣，因為它們是能夠產生階數的最小、最簡單的矩陣。 乘法問題。他發現有些方法能適用於這些方程式。事實上，那些反射 我們之前嘗試的矩陣運作良好，但他就是無法找出所有四個係數的解。 這一切彼此協作，因此這並非簡單之事。你，狄拉克，是二十世紀最聰明的人之一。 物理學的世紀，沒錯？但這並不容易。你不能只是隨便撥弄一些零散的片段。 薛定諤方程。你必須採取完全激進的措施。他的推導過程就在那裡。 你可以清楚地看到他正竭尽全力。然後，狄拉克靈光一現，說道， 我突然意識到，並沒有必要堅持使用能夠表示的數量。 以僅有兩列兩行的矩陣。為什麼不直接擴展到四列四行呢？ 有了這四個 4×4 矩陣，狄拉克得到了他聯立方程的解。 一個對角線上皆為一的矩陣在數學上等價於一。 一整組零的陣列等同於零。因此，所有的方程式都得到了滿足。 狄拉克找到了可行的係數。現在我們可以將這些矩陣代回原式。 代入狄拉克的線性方程，然後將三個動量和α係數重寫為向量形式。 正如我們對薛丁格方程式和克 serialize 方程式所做的那樣，我們也可以利用能量 並對動量算符使兩側作用於波函數。若我們代入這些算符 在這裡，我們得到了狄拉克對相對論性自由電子的最終方程。那位年輕人 他一生都在尋找數學的美，或許，他找到了最美麗的方程式。 所有的人原本預期解決方案會非常糟糕，結果卻變成了一件令人驚嘆的傑作。 美，對吧？某樣東西讓你一看，就會覺得，這簡直太驚人了。這是一種模式， 狄拉克在自然深處發現了某樣東西。當時的物理學界從未見過類似的事物。 要見識那種美，你只需將它與薛定諤方程相比即可， 你現在就可以看到這裡。現在，這兩個看起來非常相似，但其中隱藏著許多內容。 狄拉克方程式。首先，它是相對論性的，因此在極高、極高的速度下依然適用。 因為它使用了愛因斯坦的能量-動量關係，與薛定諤方程不同。 這會在那裡分解。但更美麗的是，如果你仔細觀察這一點， 狄拉 можете方程不僅在時間微分上是一階的，而且在空間微分上也是一階的。 空間導數方面，薛定諤方程在空間導數上是二階的。 所以你可能會問，這有什麼關係呢？因為不僅僅是先行動的順序很重要，而且…… 所有導數都解決了 Klein-Gordon 方程的二階時間導數問題， 現在它也對時間和空間採取對稱的處理方式。當你開始時，這變得尤為重要。 想到相對論，時間與空間並非獨立的維度，而是相互交織的。 在四維時空之中。雖然薛定諤方程僅具有一個分量 波函數，為了讓波沾數與這四個4×4矩陣配合，在狄拉克的情況下，你 實際上需要一個具有四個分量的波函數。因此，它看起來會類似於這樣。 Psi 1、Psi 2、Psi 3 和 Psi 4。四分量波函數表示狄拉克方程式 描述任何量子系統的四種可能狀態，這揭示了薛定諤的某個內容 單一的波函數並不能。在給定能級上，電子實際上具有兩種可能。 由於其內秉角動量方向不同，分別為自旋向上和自旋向下。 這種自旋會產生微小的磁場。因此，這兩種狀態就像指向不同方向的小磁鐵。 相反的方向。這具有有趣的含義。以氫為例，它有一個質子 一個電子。經典地來說，電子在質子周圍飛速旋轉。但如果你轉換到量子觀點， 電子沒錯，不過現在移動的是質子。而且因為它帶正電， 移動的電荷在電子的參考係中會產生磁場。 現在你有了這個電子，它自身帶有一個微小的磁場， 與較大的磁場相互作用。而這種相互作用對於自旋而言會略有不同。 一個自旋向上的電子和一個自旋向下的電子。因此，電子的某些能級分裂為兩個。 密集排列的能級。如果你將發射光譜放大觀察，實際上可以看見這一點。 對於氫原子，薛定諤方程並未預測到這種分裂，因為它僅考慮了 每個能級都有一個解。但有了狄拉克的四分量解後， 現在，前兩個波函數描述了兩種不同的自旋狀態，具有兩個略微不同的 能量。狄拉克本人承認，他從來沒有試圖在他的方程式中捕捉自旋。 我一開始從事這項工作時，根本沒有打算引入電子自旋的概念。 但等一下，因為如果一個電子處於某一特定能級，僅具有兩種可能的自旋狀態， 那麼為什麼我們會有四個分量的波函數？為什麼有四個狀態，而不是僅僅兩個？ 好吧，這正是我們回到開頭1928年演講的原因。 那個甚至讓最資深的量子物理學家都抓狂的問題。 因為那位展示自己作品的奇怪男子其實是保羅·狄拉克。 與世界分享他的新方程式。那是狄拉克優美的方程式，海森堡稱之為 現代物理學中最令人傷感的一章。要理解為何所有那些物理學家都如此…… 失去理智，我們只需觀察粒子靜止時的簡單情況即可。 這個詞正是描述動量的。因此，當粒子不移動時， 這會變成零並被消去，從而得到這個結果。接下來，我們可以代入此處的能量。 量子運算子以獲取此結果。因此，現在我們知道，β 乘以 mc² 必須等於 粒子的能量。如果我們將 β 寫出來，並乘以 mc²，就會得到二。 正解和兩個負解對應於能量，因此負能量解是內建的。 直接進入狄拉克方程。這種自由電子可能具有負能量的想法是 任何這些物理學家都無法接受。因為想想看，如果電子能夠擁有 負面能量，那就表示他們能夠持續散發正面能量，也就是說 釋放光子並逐漸進入越來越低的負能態。將沒有任何限制 對他們可能陷入這種負面能量的深淺程度，看起來對許多人而言非常嚴重。 聰明人，而狄拉克足夠聰明，知道他們有道理，這方程式確實抓住了核心。 電子的質量和磁矩。是的。但另一方面，它預測了這個 荒謬的情況，他們竟然有負的能量值。對，這根本是胡說八道。所以海森堡 說道：我放棄了。這簡直太荒謬了。所以狄拉克，他曾在某些非常明確的 直覺上，他必須拯救自己的方程式。狄拉克花了三年時間堅持己見。他試盡了各種方法。 解釋其新方程中負能量來源的各種方式。 然後，在1931年，他提出了一個激進的觀點，用以解釋負能量解。 一種新的粒子，實驗物理學中尚未知曉，具有與已知粒子相同的質量但相反的電荷。 電子。我們可以稱這種粒子為反電子。我們不應期待能夠找到任何 由於它們與電子快速重新結合，因此在自然界中並不存在。所以狄拉克認為 提出那四個在他在四分量波函數中描述的狀態是自旋向上的狀態。 電子、自旋向下的電子、自旋向上的正電子，以及自旋向下的正電子。 當狄拉克說出這句話時，人們並沒有立刻四處奔走，大聲喊著：「那反電子在哪裡？」他們 直接忽略它。是的。鏡頭切到1932年的加州理工學院實驗室。當時，一位名叫加州理工學院的博士後研究員 卡爾·安德森正在從事一項計畫，試圖辨識宇宙射線所產生的帶電粒子。 射線。他拍攝了這些粒子在均勻的雲室中留下的軌跡。 磁場。安德森注意到幾次類似的軌跡。它看起來與……非常相似。 他所看到的電子留下的軌跡，只是在磁場中向相反方向彎曲。 有點像帶正電的質子軌跡。但這絕對不可能是 根據軌道的長度，它在空氣中行進的距離更遠，因此， 它必須輕得多。它的質量必須與電子相近。 但電荷相反，是一種帶正電的電子，或如他所命名的正電子。他實際上 也試圖將電子重新命名為負子，但這個名稱並未廣為流傳。 就在狄拉克提出反電子僅一年後，卡爾·安德森便發現了它。 不小心。但僅僅這樣還無法解決負面能量的問題。記住我們 先前曾說過，如果任何粒子，例如這些正電子，能夠具有負能量，那麼它們 可以持續輻射能量，並逐漸進入越來越低的負能量狀態。幸運的是， 狄拉克也提出了這個問題的解決方案，儘管那種想法有點瘋狂。 他提出了一種稱為狄拉克海的理論，將真空描述為一種無限的海。 佔據所有可用的負能態電子。而且由於沒有兩個電子 可以佔據同一狀態，這阻止了可觀測的正能電子從 落入負能態。海洋中的空穴隨之變成正電子。 當一個電子與一個正電子相遇並湮滅時，那不過就是一個電子。 跌回海中，填滿那個洞。這個理論在數學上是成立的。當然， 我們談的是狄拉克。但如果你覺得難以接受這個想法， 我們正漂浮在無限的電子之海中，不過你也不會孤單。這甚至還不是重點。 瘋狂的是，幾十年後，人們在一個實體系統中發現了完全相同的模型。 在凝聚態物理中，你會看到導帶中電子的精確類比。 能帶和價帶。是的，這是真的。這是真的。但狄拉克確實是，你知道， 在外面。你明白我的意思嗎？也許就像那些資深人士，你知道的， really senior people 說這話是胡說八道。但這正是狄拉克直線式思維的方式，他的思維方式。 嗯，也許吧，然後這促使他走向反物質。幸運的是，1941年，一位名叫 恩斯特·施蒂克爾伯格有一個巧妙的構想。波函數包含一個看起來像這樣的項， 能量乘以時間。因此我們可以看到，如果我們僅改變時間的符號， 當能量為負時，我們會得到相同結果，因為負數乘以一個 負值給出正值。施塔克爾伯格採用了這個觀點，並提出負能量電子的概念。 逆時旅行在數學上等價於正能量的反電子， 那是往時間前進方向移動的正電子。幾年後，大約在1948年，理查德·費曼 採用這個概念，並應用於現代物理學中最強大的工具之一——費曼圖。 圖示。在他的粒子相互作用草圖中，他顯示反粒子以相反方向移動。 到粒子，時間倒流。這是一個絕妙的技巧。負能量解不再需要 意思是存在負能量或狄拉克海，它們僅僅表示反粒子的存在。 現在我們知道，每種亞原子粒子都有一種相對應的反粒子。 具有相同質量但電荷相反。因此，質子有反質子， 中微子有反中微子，以此類推。據他朋友海森堡所言，那是 20世紀物理學最大的突破之一，就是發現了整整一類反粒子。 對應於粒子。而狄拉克正是透過這個瘋狂的模型得出這個結論。 但一切並未解決。這個新的反世界引出了許多重大問題。 我們宇宙的本質。由於粒子及其反粒子彼此相等且相反， 當它們結合時，會相互湮滅並產生兩個光子，其能量等同於 它們的質量和動能，而這個過程是可逆的。兩個能量恰當的光子可以 產生一對物質與反物質。這稱為布雷特-惠勒對產生。在這個過程中 大爆炸後的最初時刻，宇宙極熱、極密集，充滿了這些粒子對不斷產生又消失的現象。 並消失於虛無。如果產生了等量的物質與反物質粒子， 你會預期它們在這種高密度環境中彼此完全湮滅，留下 只有能量。但情況並非如此。我們最終得到的是充滿物質的宇宙。如果我們繼續推演 根據今日宇宙中物質與反物質的數量反推，實際上估計結果是 只有十億分之一的物質粒子需要在這個高溫高密度時代中存活下來，而不被摧毀。 被徹底摧毀。正是這微小的差異，造就了今日宇宙的物質組成。 主導著。那麼，為何每十億個粒子中僅有一個能夠逃過湮滅？為什麼物質會如此？ 勝過反物質？嗯，這是一個相當大的問題，答案也並非那麼簡單。所以， 我們正在製作第二支完整影片，裡面會有許多非常驚人的場面發生。 我們正進入最危險的階段，簡直瘋狂至極。我感覺自己根本不該在這裡。 在這裡。所以，你在製造反原子？是的。真是太酷了。狄拉克恐怕沒那麼出名。 雖然不如海森堡或薛定諤那般知名，但他對量子物理的貢獻卻是巨大的。 並因此獲得認可。他與薛定諤共同獲得了1933年的諾貝爾獎。 發現原子理論的新生產形式。也許這給了沉默而奇特的狄拉克一種啟發。 一些新獲得的自信，因為在1928年他演講的 audience 中，那位物理學家起初如此。 尤金·維格納實際上成了狄拉克的知心朋友，並於1934年介紹了 狄拉克對他的妹妹馬吉特·維格納說，這位女性將改變狄拉克的一生，或許比任何人都要深刻。 方程式或諾貝爾獎。它們是反粒子，對吧？它們的性格完全不同。 他幾乎毫無同理心，對吧？他很清楚這一點。她卻充滿同理心。他幾乎不怎麼說話。她 停不下來說話。你完全可以繼續說下去，彷彿他們是完全不同的人，但這 婚姻確實成功了。我那位非常要好的朋友莉莉亞·哈里什·錢德拉認識他們，她後來說出了令人印象深刻的話。 一句很棒的台词，那就是：他给了她地位，她给了他生命。所以，我想，确实有一句 從未發生湮滅的粒子-反粒子對。嘿，最後一件事。如果你還沒注意到的話 知道嗎，我們剛推出了官方的 Veritasium 遊戲。遊戲內含 800 個問題，而且是 挑戰朋友的完美方式。每次我們在《Veritasium》玩這個遊戲時，情況就會變得稍微…… 熱鬧非凡，實在太有趣了。如果你想親自去看看，那就快去我們的 Kickstarter 頁面吧， 您可以提前預訂屬於自己的版本。目前，我們已啟用全球運送服務，無論您身在何處， 無論你身在世界何處，都能獲得屬於你的版本。我們已接近最後幾天。 了 Kickstarter 策劃活動，因此這是你最後一次獲得獨家首發的機會 版本。因此，如果你想支持我們，請點擊連結前往 Kickstarter。 描述或掃描此二維碼。我要感謝您所有的支持，尤其是最最重要的 感謝您收看。