物理奇遇记：揭示狄拉克理论的真空空洞

女士们、先生们：

今晚我将请求你们特别注意，因为我将要讨论的问题既困难又有趣。我要讲的是被称为“正电子”的新粒子，它们具有比寻常粒子更多的特性。值得注意的是，这种新粒子的存在在被实际探测到之前几年就已经在纯理论的基础上被预测出来了，而它们的发现在很大程度上得益于对其主要性质的理论预测。

做出这一预测的荣誉应属于英国物理学家保罗·狄拉克，你们已经听说过他，他的结论是建立在理论考量的基础上的，这些考量是如此奇怪和不可思议，以至于大多数物理学家在很长一段时间里都拒绝相信它们。狄拉克理论的基本思想可以用这几个简单的词来表达：“真空中应该有洞。”我看你的表情很吃惊；当狄拉克说出这句重要的话时，所有的物理学家也是如此。真空的地方怎么可能有洞呢？这有什么意义吗？是的，如果有人暗示所谓的真空实际上并不像我们认为的那么空。事实上，狄拉克理论的主要观点在于假设所谓的真空，实际上是由无数的普通负电子以一种非常规则而均匀的方式聚集在一起构成的。毋庸置疑，狄拉克并不是由于纯粹的幻想才产生了这样一个古老的假设，而是他或多或少基于一些与普通负电子理论有关的考虑而不得不提出这个假设的。事实上，该理论得出了一个必然的结论，即除了原子中的量子运动状态外，还存在无穷多个属于纯真空的特殊“负量子态”，而且，除非有人阻止电子进入这些“更舒适”的运动状态，否则它们都将放弃它们的原子，可以这么说，它们将溶解在真空中。而且，进一步说，阻止一个电子去它想去的地方的唯一方法，就是让另一个电子“占据”这个特定的位置（记住泡利不相容原理），因此我们必须让所有这些真空中的量子态完全被均匀分布在整个空间的无穷多个电子填满。

我担心我的话听起来就像是某类科学的咒语，你不可能完全搞清楚这一切。这个主题确实很难，我只能希望，如果您继续专注地聆听，您最终能够对狄拉克理论的本质有一些了解。

嗯，无论如何，狄拉克得出了这样的结论：真空中充满了大量的电子，它们以均匀但无限高的密度分布着。为什么我们根本没有注意到它们，而把真空当作一个绝对空的空间呢？

如果你想象自己是一条悬浮在海洋中的深水鱼，你可能会明白这个问题的答案。即使鱼有足够的智慧来提出这样一个问题，它是否能意识到自己被水包围着？

这些话使汤普金斯先生从刚开始上课时打瞌睡的状态中清醒过来。他感觉自己有点像个渔夫，他能感觉到一股清新的海风吹过海面，还有轻柔地翻滚的蓝色海浪。但是，尽管他游泳游得很好，却不能停留在水面上，于是他开始越来越深地往海底下沉。奇怪的是，他并不觉得缺少空气，反而觉得很舒服。也许，他想，这是一种特殊的隐性突变的结果。

根据古生物学家的说法，生命起源于海洋，第一个出现在陆地上的鱼类先驱是所谓的肺鱼，它爬到海滩上，用鳍行走。根据生物学家的说法，这些最早的肺鱼，在澳大利亚被称为新角齿鱼，在非洲被称为原齿鱼，在南美洲被称为鳞翅目鱼，逐渐进化成陆生动物，如老鼠、猫和人。但是它们中的一些，像鲸鱼和海豚，在了解了陆地上生活的所有困难之后，回到了海洋。回到水里后，它们仍保留了在陆地上奋斗时所获得的特质，它们仍然是哺乳动物，雌性在体内孕育后代，而不是只是产卵，然后让雄性受精。难道不是一位名叫利奥·西拉德的著名匈牙利科学家曾说过，海豚比人类更聪明吗？

狄拉克正在和一只海豚谈话

汤普金斯先生的思绪被一段对话打断了，这段对话是在大洋深处的某个地方进行的，对话的一方是一只海豚，另一方是一个典型的智人，汤普金斯先生认出这个人是剑桥大学的物理学家保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克（他见过狄拉克的一张照片）。

“你看，保罗，”海豚说，“你说我们不是在真空中，而是在由负质量的粒子构成的物质介质中。在我看来，水和真空（空的空间）没有任何不同；它是完全均匀的，我可以自由地向各个方向移动。然而，我从我的前前前前前辈那里听说了一个传说，陆地是非常不同的。有些山脉和峡谷是不费大力气是无法跨越的。在水中，我可以向任何我选择的方向移动。”

“如果就海水而言，你是正确的，我的朋友，”狄拉克回答，“水会在你的身体表面产生摩擦，如果你不移动尾巴和鳍，你就根本无法移动。此外，由于水压随着深度的变化而变化，你可以通过使身体膨胀或收缩来实现向上漂浮或向下沉。但是，如果水没有摩擦并且没有压力梯度，你就会像耗尽火箭燃料的宇航员一样无助。我的海洋，是由负质量的电子构成的，完全没有摩擦，因此是无法观察到的。物理仪器只能观测到其中某个电子的缺失，因为失去一个负电荷就等于出现了一个正电荷，所以即使库仑也能注意到。”

“但是，在将我的电子海洋与普通海洋进行比较时，我们必须提出一个重要的例外，以免被这种类推带得太远。关键是，由于构成我的海洋的电子受泡利原理的制约，所以当所有可能的量子能级都被占据时，没有一个电子能被加到那个海洋中去。这样一个额外的电子将只能保留在我的海洋的表面上方，并且很容易被实验员识别出来。首先由J.J.汤姆孙爵士发现的电子，那些围绕原子核旋转的电子，或那些飞越真空管的电子，就是这样过剩的电子。直到1930年我发表了我的第一篇论文之前，我们以外的空间都被认为是空的，人们认为，只有那些偶尔飞溅到零能量表面上的水花才具有物理现实意义。

“但是，”海豚说，“如果你的海洋因为它的连续性和无摩擦力而无法被观察到，那么谈论它又有什么意义呢？”

“好吧”，狄拉克说，“假设有某种外力把一个质量为负的电子从海洋深处提升到其表面以上。在这种情况下，可观察到电子的数量将增加一个，这将被认为违反了守恒定律。但是，海洋中那个被移走了电子的空洞现在是可以观察到的，因为在均匀分布中，没有负电荷就会被认为是有等量的正电荷存在。这个带正电的粒子也将具有正质量，并且将沿着与重力相同的方向移动。”

“你是说它会浮起来而不是沉下去？”海豚惊讶地问道。

“当然。我敢肯定，你已经见过许多物体在重力的作用下被拉到海底：从船上被抛下的东西，有时是船本身。但是看看这里！”狄拉克突然停了下来，“看到这些银色的小东西正在往水面上升起吗？它们的运动是由重力引起的，但它们沿着相反的方向运动。”

“但是那些只是泡沫，”海豚反驳道，“它们很可能是从含有空气的某些物体中逃逸出来的，这些物体因为撞到了底部的岩石而翻转或破裂。”(www.xing528.com)

“你说得对，但你不会看到气泡在真空中飘浮。因此我的海洋不是空的。”

“很聪明的理论，”海豚说，“但这是真的吗？”

“当我1930年提出这个想法时，”狄拉克说，“没人相信它。这在很大程度上是我自己的错误，因为我最初认为这些带正电荷的粒子只不过是质子，质子是实验员都熟知的。当然，你知道质子质量是电子质量的1840倍，但我希望通过一些数学技巧，我能解释在给定力的作用下，增加加速度阻力，并从理论上得到1840这个数字。但它行不通，我的海洋中的气泡的物质质量将完全等于一个普通电子的质量。我富有幽默感的同事泡利到处宣扬他所谓的‘第二泡利原理’。他计算出，你看，如果一个普通电子靠近一个从我的海洋中移走一个电子而产生的洞，它将在极短的时间内把洞填满。因此，如果一个氢原子的质子真的是一个‘洞’，那么它会立即被围绕它旋转的普通电子填满，并且两个粒子都会在一道闪光中消失，我应该说，是一道伽马射线。当然，同样的情况也会发生在所有其他元素的原子上。现在，第二泡利原理要求物理学家提出的任何理论都必须立即适用于构成它身体的物质，这样我就会在有机会把我的想法告诉别人之前被湮没。就像这样！”狄拉克随着一束灿烂的辐射消失了。

“先生，”汤普金斯先生耳边响起一个恼怒的声音，“上课睡觉是你的权利，但你不应该打呼噜。教授说的话我一个字也听不见。”

汤普金斯先生睁开眼睛，又看见了拥挤的礼堂和老教授，老教授接着说：

“现在让我们看看当一个移动的洞遇到一个正在狄拉克的海洋中寻找舒适地带的多余电子时会发生什么。很明显，由于这样的相遇，多余的电子将不可避免地掉入洞中，并把它填满，而观察该过程的物理学家惊讶地将这一现象记录为一个正电子和一个负电子的相互湮灭。这过程中释放出来的能量将以短波辐射的形式释放出来，这个能量也代表着两个电子唯一剩余的部分，这两个电子就像著名的儿童故事中的两只狼一样互相吞噬。

但是，我们也可以想象一个相反的过程，在该过程中，在强大的外部辐射的作用下，由一个负电子和一个正电子组成的电子对‘从无到有地被创造出来’。从狄拉克的理论来看，这样的过程只是把一个电子从连续的分布中踢出去，实际上不应该被看作是‘创造’，而应该看作是两个相反电荷的分离。在我现在向你展示的图表中，电子的‘创造’和‘湮没’的两个过程用一种非常粗略的示意图来表示，你们可以看到，这事没有什么神秘的。我必须在此补充，虽然严格地说，生成电子对的过程可能在绝对真空中发生，但其可能性极小；你可能会说，真空中的电子分布太过平滑，以至于无法打破它。另一方面，在存在重物质粒子——它们是伽马射线深入电子分布的支撑点——的情况下，生成电子对的可能性大大增加，而且很容易被观察到。

然而，很明显，用上述方法产生的正电子不会存在很长时间，而且很快就会在与某个负电子的碰撞中湮灭，负电子在我们所处的这个宇宙的角落里拥有巨大的数量优势。这一事实解释了这些有趣粒子相对较晚才被发现的原因。事实上，有关正电子的第一份报告直到1932年8月才发表（狄拉克的理论于1930年发表），加利福尼亚的物理学家卡尔·安德森在研究宇宙辐射时发现一种粒子，它们在各个方面都与普通电子类似，唯一重要的区别是它们带有正电荷而不是负电荷。此后不久，我们学会了一种在实验室条件下产生电子对的简单方法，即把一束强大的高频辐射（放射性伽马射线）发射到任何种类的物质中。”

左图：电子对的生成　右图：电子对的湮灭

在下一幅图中，你们将看到所谓的宇宙射线正电子的‘云室照片’，以及它们成对产生的过程的‘云室照片’。但在此之前，我必须解释一下这些照片是如何获得的。云室，或者说是威尔逊云室，是现代实验物理学中最有用的仪器之一，它基于这样一个事实，即任何穿过气体的带电粒子都会沿其轨迹产生大量离子。如果气体中充满了水蒸气，微小的水滴就会凝结在这些离子上，从而形成沿着整个轨迹延伸的薄薄的一层雾。在深色背景上，用一束强光照亮这片雾蒙蒙的地带，我们就可以获得完美的图像，它展示了运动的所有细节。

现在投影在屏幕上的两张照片中的第一张是安德森拍摄的宇宙射线正电子的原始照片，顺便说一下，这也是有史以来这种粒子的第一张照片。穿过图片的宽水平带是横跨云室放置的厚铅板，正电子的轨迹被看作是穿过铅板的一道细细、弯弯的划痕。由于实验过程中云室处于强磁场中，影响了粒子的运动，所以轨迹是弯曲的。我们利用铅板和磁场来确定粒子所携带的电荷的符号，这是基于以下论证的支持。我们知道，磁场产生的轨迹的偏转取决于运动粒子的电荷的符号。在这个特定的情况下，磁体的放置方式是使负电子向其原始运动方向的左侧偏转，而正电子向右偏转。因此，如果照片中的粒子向上运动，它可能带有负电荷。但如何判断它朝哪个方向移动呢？这时铅板就发挥作用了。粒子穿过平板后，必定失去了一些原有的能量，因此磁场的弯曲效应一定更大。在目前的照片中，轨迹在铅板下方弯曲得更厉害（乍一看几乎看不出来，但在测量铅板时可以看出来）。因此粒子是向下运动的，并且其电荷为正。

云室中得到的照片

另一张照片是由剑桥大学的詹姆斯·查德威克拍摄的，展示了在云室中产生电子对的过程。强烈的伽马射线从下方进入，并且在照片中没有产生任何可见的轨迹，但在云室中产生了一对电子对，两个粒子正飞散开来，并且在强磁场的作用下向相反的方向偏转。看着这张照片，你可能会奇怪，为什么正电子（位于左侧）在穿过气体的过程中没有被湮灭。狄拉克的理论也给出了这个问题的答案，任何打高尔夫球的人都很容易理解。如果在果岭击球时用力过猛，即使你的目标是正确的，球也不会掉入洞中。实际上，一个快速运动的球只是简单地越过洞口，然后继续滚动。以同样的方式，一个快速运动的电子直到它的速度大大降低时才会落入狄拉克的洞中。因此，当正电子被轨道上的碰撞减速之后，它在其轨道末端被湮灭的可能性更大。事实上，仔细的观测表明，伴随任何湮灭过程的辐射实际上存在于正电子轨迹的末端。这一事实进一步证实了狄拉克的理论。

现在仍然有两个要点需要讨论。首先，我一直将负电子称为狄拉克海洋的溢出，把正电子称为海洋中的空穴。然而，我们可以把这种观点颠倒过来，把普通电子当作空穴，而使正电子扮演抛掷粒子的角色。要做到这一点，我们仅需假设狄拉克的海洋并未溢出，而且恰恰相反，总是缺少粒子。在这种情况下，我们可以把狄拉克的分布想象成一块有很多洞的瑞士奶酪。由于粒子的普遍短缺，这些洞将永远存在，如果其中一个粒子被抛出了分布，它将很快再次落回其中一个洞中。但是，应该指出的是，无论从物理还是数学的角度来看，这两幅图是绝对相等的，实际上，无论我们选择哪一幅，都没有区别。

第二点可以用下面这个问题的形式来表达：“如果在我们生活的这个世界上，负电子的数量占绝对优势，那么我们是否可以假设在宇宙的其他部分，情况正好相反呢？”换句话说，对应于其他地方缺少这些粒子的补偿，就是狄拉克海洋在我们周围的溢流呢？

这个非常有趣的问题很难回答。事实上，由于绕着负原子核旋转的正电子所构成的原子具有与普通原子完全相同的光学性质，因此无法通过任何光谱观察来确定这个问题。就我们所知，形成大仙女座星云的物质很有可能是这种颠倒的物质，但是证明这一点的唯一方法是得到其中的一块物质，看看它在与地球上的物质接触时会不会湮灭。当然，肯定将会有可怕的爆炸发生！最近有一些关于在地球大气中爆炸的某些陨石是由这种颠倒的物质构成的可能性的讨论，对于这点，我是不太相信的。实际上，狄拉克海洋在宇宙不同部分的溢出和流动问题很可能永远得不到解答。