第八期：预言正电子

在科幻电影中，我们经常听到反物质武器的概念，它们通过物质与反物质的湮灭来产生毁灭性的效果。尽管这一原理在理论上是可行的，但在现实中，存储反物质武器仍是一个巨大的挑战，因为反物质粒子一旦制造出来就会与周围物质发生湮灭。因此，反物质武器目前只能存在于科幻作品中。然而，在微观世界中，反物质粒子确实可以短时间存在，甚至可以人工制造出极少量的反氢。

今天我们要讨论的是历史上第一个被发现的反物质粒子——正电子。顾名思义，正电子是带有正电荷的电子，其属性与电子相同，唯一的区别在于电荷的正负。正电子的存在最初并非通过实验发现，而是由物理学家保罗·狄拉克在理论上预言的。

保罗·狄拉克，1902年8月8日出生于英格兰西南部的布里斯托。他的父亲是一位瑞士人，从小对狄拉克管教严格，要求他在家中只能说法语。这种严格的教育环境使狄拉克变得沉默寡言，但这并没有阻碍他成为最伟大的物理学家之一。

狄拉克是如何预言正电子存在的呢？当时的量子力学有两种理论：海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动方程。矩阵力学晦涩难懂，而波动方程在经典物理中应用广泛，相对容易理解。然而，薛定谔方程在处理高速粒子问题时存在局限性。为了解决这一问题，需要一个相对论版本的薛定谔方程。最早的尝试是克莱因-戈登方程，但这个方程只适用于自旋为0的粒子。

1928年，狄拉克提出了新的方程，统一了前人的工作。这个方程同时遵循量子力学和相对论原理，适用于电子的自旋。这个以狄拉克名字命名的方程，开创了量子电动力学的新篇章。

狄拉克方程在计算粒子能量时，会出现正负两个解。按照常识，能量只能是正值，负值似乎应该被舍弃。但狄拉克思考，这个负值是否具有某种物理意义，能量是否可能存在负值。他提出了真空中充满负能态轨道的假设，这些轨道被负质量的电子填满，正常电子无法跌落到负能态轨道。这个理论被称为狄拉克海。如果负能态的电子吸收足够的能量，就会转变为正常电子，同时在狄拉克海中留下一个坑，这个坑就是带有正电荷和正质量的正电子。

尽管随着量子场论的发展，狄拉克海模型已被抛弃，但狄拉克的预言仍然具有重要意义。他是理论物理学家，仅通过自己的方程就预言了正电子的存在。最初，狄拉克没有敢肯定这个坑是正电子，因为正电荷和正质量也可能是质子。当时，物理学界普遍认为光子、电子、质子和中子这四个基本粒子构成了世界。狄拉克在论文中提出，狄拉克海中的洞可能是质子。但后来，奥本海默等人指出，这个坑不可能是质子，因为质子和电子的质量相差悬殊，且氢原子的稳定性也会受到影响。

1931年，狄拉克发表了一篇论文，将其称为“反电子”。两年后，由于狄拉克在量子力学领域的突出贡献，他在1933年获得了诺贝尔物理学奖。预言正电子的诺贝尔奖已经颁发给了狄拉克，那么发现正电子的诺贝尔奖又让谁获得了呢？

这段历史展示了科学理论的预言力量，以及科学家们在探索未知领域时的勇气和坚持。狄拉克的预言不仅为物理学领域带来了新的发现，也为我们理解宇宙的基本组成提供了新的视角。

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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