哥布林也能懂的現代物理2─狄拉克之海 | 自然科學板

>>前一篇 https://meteor.today/article/share/588f0a2f25fb08066ea7b311 今天我們來談談狄拉克之海。我本來昨天就要發的，不過一不小心成了網遊廢人==；話雖如此，今天還是先當了四小時的魔導士XD。改天也來跟風寫「魔理學」好了。事情要從1928年開始說起。在此之前，薛丁格方程式成功地描述了物質的波函數模式，透過它，我們可以預估量子系統的演變。然而，這個方程式卻是「非相對論性」的──用艱深的話來說叫做「不具有勞侖茲協變性」，講白話就是牛頓力學和相對論的差別。 <量子力學之神>保羅‧狄拉克 Lv.99 想解決這個問題。他引入了點繁複的數學......經過一系列變換......寫出了這樣一個燒大腦不償命的東西： http://i.imgur.com/3CUJEXp.png 看不懂，是，你也不太需要看得懂，這不是我們今天的主題。這個方程式，可以用來表達一個自旋為1/2的粒子﹝譬如電子﹞的演化狀態，但卻出現了一個Bug：用方程式解出來的每一個電子能階，都有一個相對的負能階，最低達到-mc^2，而所有電子都可以透過射出光子來掉到這些負能量態。然而，實驗上電子並不會處於這些負能量態的地方──甚至狄拉克本人還算出，如果可以這樣的話，整個宇宙會在極短的時間內毀滅！因此，肯定有個機制防止電子掉到負能量。 >>所以他提出了「狄拉克之海」<< 狄拉克妄想﹝認為﹞，假設真實存在的電子只具有正能量態，而所有的負能量能階都已經被無限多的負能量「電子」所佔據了，因此根據包立不相容原理，正能量電子將無法躍遷到負能量態。這些無限多的負能量電子，就構成了狄拉克之海。而在此同時，狄拉克也指出，如果狄拉克之海中有個量子態沒被占據，譬如一個能量高達2mc^2的光子將狄拉克之海中的一顆電子從底層提升到正能量，那麼就會在海中留下一個「洞」。這個洞具有和原本負能量電子相反的性質：正能量以及正電荷。這個洞後來被認為預言了反電子﹝正子﹞的存在。如果「洞」和一個正能量電子相遇，那麼電子就會掉進去負能量態，並將能量以光子的形式輻射出來。這樣的性質在4年後的1932年被證實。但是狄拉克之海的理論乍看下似乎漂亮，但仍然有bug﹝喂狄拉克你其實是工程師吧？﹞。顯而易見地，狄拉克之海的存在要求了真空中必須充滿無限多的負能量態電子，這就使得如此的真空會擁有無限大的能量密度！而當反玻色子被發現後，因為玻色子不遵守不相容原理，因此它也無法解釋反玻色子的存在。在更現代的理論中，反粒子被視為一個真實存在的粒子而非一個「洞」，而狄拉克方程式的某些項也被量子場論重新詮釋，最後消去了負解。雖然狄拉克之海的解釋在現今已經逐漸被淘汰了，但是在文藝作品中造成的影響卻相當地大......譬如這個 http://i.imgur.com/syCAHtE.jpg 「Di-sword (極品)」：具有干涉狄拉克之海的能力，能將giga-lo-maniac能力者的妄想快速地轉化為現實下次來講標準模型，不過我真的好想寫篇魔理學XD