物理群星
1928 粒子物理

狄拉克方程与反物质

The Dirac Equation & Antimatter

为了让量子力学服从狭义相对论而写下的方程,让电子自旋自然涌现,并预言了一个镜像的反物质世界。

当时的困境

1926 年之后,薛定谔方程所向披靡,但它有一个先天缺陷:它不满足狭义相对论。

原因在结构里:方程对时间是一阶导数,对空间是二阶导数。相对论要求时间与空间地位对等,这个形式一眼就不对。它只在电子速度远低于光速时适用。

直接的修补是把相对论的能量-动量关系 E2=p2c2+m2c4E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 量子化,得到克莱因-戈尔登方程。它对时间是二阶的,而这带来致命后果:按薛定谔方程的办法构造概率密度,会得到可以取负值的结果。负概率没有意义。

(这个方程后来被证明是对的——它描述自旋为零的粒子,而”概率密度”应重新解释为电荷密度。但在 1927 年,没人知道这一点,包括先写出它又放弃它的薛定谔本人。)

第二个疙瘩是自旋。

斯特恩-格拉赫实验、反常塞曼效应、原子光谱的双线结构,都明确显示电子带有一个只能取两个值的内禀角动量,还伴随一个磁矩。而磁矩的大小需要一个额外的因子 2(朗德 g 因子),来历不明。

泡利 1927 年写下了一个能描述自旋的方程,办法是把波函数改成两个分量、引入三个 2×2 矩阵。它管用,但完全是手工塞进去的:自旋不是从任何原理推出来的,是照着实验补上的。而且它同样不满足相对论。

量子力学与相对论,二十世纪的两大支柱,在电子这个最基本的粒子身上互不相认。

洞见时刻

1928 年初,狄拉克在剑桥坚持一个近乎美学的判断:

正确的方程对时间必须是一阶的。

理由是概率诠释——只有一阶时间导数,才能保证概率密度非负且守恒。而相对论要求时空对等,所以对空间也必须是一阶的。

于是问题变成:能不能把 E2=p2c2+m2c4E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 “开平方”,写成一个一阶的形式?

E=c α⋅p+βmc2E = c\,\boldsymbol{\alpha}\cdot\boldsymbol{p} + \beta mc^2

要让它平方之后回到原式,系数 αx,αy,αz,β\alpha_x,\alpha_y,\alpha_z,\beta 必须两两反对易。普通的数不可能反对易。

狄拉克意识到它们必须是矩阵,而且最小的可行尺寸是 4×4。

波函数随之变成四个分量。

代价换来了三个奇迹:

一、自旋自动出现。 四个分量中的两个自由度恰好对应自旋向上和向下。不需要任何额外假设——相对论加上一阶方程,自动要求电子有自旋 1/2。

二、磁矩的因子 2 自动出现。 那个来历不明的 g=2,从方程里直接算出来。

三、氢原子的精细结构一并算对。 索末菲当年靠半经验方法凑出的公式,成了这个方程的严格解。

海森堡后来说,狄拉克在那段时间做的工作让人有点绝望——他把所有人想解决的问题一次解决了。

但方程还剩下另外两个分量。

它们对应负能量的解。而这是个灾难:既然存在能量任意低的态,普通电子就会不断辐射能量往下掉,物质应该在瞬间坍塌。

狄拉克 1930 年的第一个解释是”空穴理论”:真空其实是所有负能态都被填满的状态,泡利不相容原理阻止普通电子掉下去。如果打掉一个负能电子,留下的”空穴”表现为一个带正电的粒子。

他起初猜那是质子。外尔立刻指出这不可能——由对称性,空穴的质量必须与电子相同,而质子重了 1836 倍。

1931 年,狄拉克接受了这个结论,明确预言存在一种质量与电子相同、电荷相反的新粒子。他称之为”反电子”,并指出实验中没见过它,只是因为它一遇到普通电子就会湮灭。

这在当时是极其大胆的一步:纯粹从方程的形式,预言一种从未见过的粒子。

1932 年 8 月,加州理工的安德森在云室里研究宇宙线,看到一条径迹:曲率与电子相同,方向相反。正电子。他 1933 年发表结果时并不知道狄拉克的预言。

纸上的数学,跑在了实验前面四年。

(空穴理论今天已被量子场论取代——不需要”填满的负能海”,反粒子直接作为场的激发出现。但狄拉克的结论是对的。)

涟漪效应

每一种粒子都有对应的反粒子。 1955 年反质子,1956 年反中子,1995 年 CERN 造出反氢原子,2010 年代已能把反氢囚禁足够久来测它的光谱(结果与氢完全一致,符合 CPT 对称性)。

这带来了一个至今未解的问题:大爆炸应该产生等量的正反物质,它们本该湮灭殆尽只剩辐射。今天宇宙里几乎全是正物质。已知的 CP 破坏量远不足以解释这个不对称,我们为什么存在仍是开放问题。

方程与电磁场结合,催生了量子电动力学——历史上被检验得最精确的理论。电子反常磁矩的理论值与实验值符合到小数点后十二位。这套框架一路延伸成整个粒子物理标准模型:每一种基本费米子(夸克、轻子)都由一个狄拉克方程描述。

方程揭示的自旋也走出了实验室。自旋电子学用电子自旋而非电荷来存储和处理信息:巨磁阻效应让硬盘读头灵敏度提升了几个数量级(1988 年发现,2007 年诺贝尔奖),磁性随机存储器(MRAM)已经商用。

如果没有它

医院里的 PET。 正电子发射断层扫描是反物质的日常应用:给病人注射含氟-18 的葡萄糖类似物,它衰变放出正电子;正电子在体内飞行约一毫米后与电子相遇湮灭,变成两个背对背飞出的 511 keV 伽马光子;环形探测器捕捉这些光子对,由飞行时间差定位湮灭点,逐层重建出肿瘤代谢或大脑活动的图像。全球每年数千万人次的检查依赖它。

放疗。质子治疗、重离子治疗的剂量计算要用相对论量子力学;反质子治疗也在研究中。

对撞机。正负电子对撞机(LEP、SLC、北京的 BEPC)用的就是物质与反物质的湮灭——所有能量都转化为新粒子,本底极干净。

标准模型的整座框架,都要从这行方程说起。

狄拉克本人对这件事的总结很有名:让方程漂亮,比让它符合实验更重要。这句话作为方法论是危险的,但在 1928 年,它赢了。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.狄拉克《电子的量子理论》,《皇家学会会刊 A 辑》第 117 卷第 610 页(1928)
  2. 2.安德森《正电子》,《物理评论》第 43 卷第 491 页(1933)
  3. 3.薛定谔《作为本征值问题的量子化(第一部分)》,《物理学年鉴》第 384 卷第 361 页(1926)