量子科學2020-02-13
量子怪狄傑
保羅·狄拉克，英國理論物理學家，量子力學的奠基者之一。
1931年，狄拉克在求解自由電子的動量和能量方程時，出現了正、負能量兩種解。
面對這個奇異的問題，他做出假設：
如果宇宙中充滿各種能態的電子，那首先該充滿的應是負能態，因為這種能態的能量最低。
只有這種負能態充滿了，才會有正能態電子的分佈。
整個宇宙應充滿無數多的負能態電子，可以把它叫作“海洋”。
當處於正能態的電子從這一“海洋”裡逃離出來時，“海洋”裡就會留下一個“空穴”，所以海洋裡也充滿這種“空穴”。
既然跳出來的是電子,那留下的“空穴”就可能是一個尚未被發現的粒子，它應該與電子具有相同的品質,但它有正的電量，是電子正能態的一種映象，即“反電子”。
他進一步預料：當正電子和負電子相遇時，會發生湮滅而產生光子。相反，一對光子的湮滅，會產生出一對正電子和負電子。
1932年，加州理工學院的安德森通過實驗，發現了正電子的存在。緊接著不到4年的時間，就有大約4萬多例實驗反覆證明了正電子的存在。安德森說：“只要你正視狄拉克理論的價值，只要你有較好的實驗裝置，幾乎任何一個實驗者，都可以每天看到正電子的存在。”
把“空穴”看成是具有實質性的東西，即便是專業的物理學家，都是難以接受的事。直到1933年，量子力學界終於承認了正電子的存在，承認了正電子和負電子可以成對地從真空中產生出來。
狄拉克的“空穴”負能態，表徵著一種新的物理影象。
時間是什麼？
空間是什麼？
物質是什麼？
這是科學要回答的最基本的問題。這三個基本問題每一次突破，都會帶來革命性的科學和技術變革。
愛因斯坦突破絕對時空觀建立相對論，核技術、導航技術等深刻地影響著人類的生產生活。
普朗克、波爾等打破連續平滑的時空觀念，建立量子力學，半導體、鐳射等技術產生，電腦、手機成為現代人生活形影不離的東西。
相對論與量子力學的時空觀的矛盾很尖銳。相對論的空間是連續的，而量子力學的空間是離散的。相對論的時間與空間是有機聯絡的，物質加速運動會導致空間縮小、時間變慢，而量子力學的時間是離散的，但不涉及物質加速運動對時間的影響。相對論和量子力學的矛盾，集中體現在對引力的看法上。相對論認為引力是時空彎曲的表現形式，而量子力學認為力的傳遞需要交換粒子，引力是物質之間相互交換引力子。直到現在，引力子都沒有被發現，引力波則被發現了。
“空穴理論”的提出和被證實，或許，可以推匯出“物質是一種特殊的時空結構”的結論，“物質”和“時空”會因為“空穴理論”而走向高度統一。時空和物質觀念的突破，需要長期的理論和技術的積累。相對論和量子力學創立已經一百多年了，讓我們拭目以待吧！
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