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怎么理解狄拉克海?优质

901次浏览| 2022-09-18 08:06:04 更新
来源:互联网
3个回答
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狄拉克理论就是指狄拉克在纯数学物理的基础上建立起了狄拉克方程,并预言存在一种新的基本粒子--正电子。几年后,在实验室里发现了这种粒子。在1926年薛定谔发表波动力学的论文以后,狄拉克把非相对论的薛定谔方程推广到相对论的情况并作了进一步的研究,于1928年建立了著名的有关电子理论的狄拉克方程。从这一方程出发,可以很自然地推出电子的自旋和与之相应的磁矩,以及电子的总能量既可取正值也可取负值等极其重要的结论。但是,对于能量为负值的状态,已有的理论无法解释。1930年,他根据泡利不相容原理提出了有名的空穴理论。所谓空穴,就是我们现在所知道的正电子。他认为所谓真空状态并非真的空无一物,而是所有负能态都被电子占有,形成了负能态的电子海,同时所有正能态都未被电子占有。当海中的电子受激发跃迁到正能态上时,便出现了正负电子对的激发态。1932年,安德森从宇宙射线中发现了正电子的存在,证实了狄拉克的预言。狄拉克还与费米分别独立地提出自旋为半整数的粒子所服从的统计分布规律,即费米-狄拉克统计。这一统计已经成为研究基本粒子物理的基础。

针对这个矛盾,1930年狄拉克提出一个理论,被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子,满足泡利不相容原理,每一个状态最多只能容纳一个电子,物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子,同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态,也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量,也就是说不能输出任何信号,这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论,如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去,需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-e,所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求,这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为+e的粒子,这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的"电子",即正电子。狄拉克的理论预言了正电子的存在。

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好高端的《十万个为什么》......竟然连狄拉克海都收入了。但是你既然收入了狄拉克海,那为什么不进一步解释清楚呢?狄拉克的理论是有·缺陷的,现在的物理学家们采用的是场论的观点,而不是狄拉克的看法。狄拉克的解释是有缺陷的,狄拉克认为正负能量态其实就相当于正负能级一样,电子可以通过辐射光子的方法从正能级跃迁到负能级,也可以通过吸收光子的方法从负能级跃迁到正能级。但很明显负能级更稳定,按照狄拉克的理论电子应该主动跃迁到负能级才对,那为什么自由电子可以稳定地存在呢?(迄今为止人类尚未发现电子衰变)。狄拉克的解释是:负能级上已经被电子填满了,根据泡利不相容原理,电子无法再跃迁到负能级。

也就是说我们的世界是一个负能级被填的慢慢的世界,在我们以为空无一物的真空中,到处都充满了看不到的负能级电子,这就是狄拉克海。其实这个解释也算得上是自圆其说了,但问题是:泡利不相容原理只对费米子有用.......当人们发现各种正反玻色子的时候,狄拉克的理论就出现问题了。所以现在物理学家们用场论的解释代替了狄拉克海的概念。他是个天才,是最伟大的物理学家,他有了答案。如果全部可能存在的负能量都已被占据,任何一个粒子都不可能进入负能态。啊哈!于是狄拉克就假定整个宇宙完全充满了负能量粒子。它们围绕着我们,穿过我们的身体,在外太空的真空里和地球的中心,每个地方都有它们。一片无限稠密的负能量粒子的海洋。狄拉克海。狄拉克之海(英文:Dirac sea)是英国物理学家保罗·狄拉克在1928年为解释狄拉克方程的自由粒子(例如,电子)解中出现反常的负能量态而提出的真空理论假说。他提出一个真空中实际充满了无限多的具有负能量的粒子态,因而这样的真空模型被称作“狄拉克之海”。狄拉克在这个真空中假想了正电子的存在,它们作为电子的反物质粒子,被认为是狄拉克之海中的一个个洞;而正电子的存在则在1932年由卡尔·安德森在实验中证实。

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迪拉克之海简单说就是量子真空的零点能组成的负能量的粒子海。尽管这些粒子是不可观察的,但它们决不是虚幻的,如果用足够的能量就可以形成,哪里有物质,哪里就有迪拉克之海,想象观察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。电子的相对论量子力学方程——狄拉克方程可解出自由电子的负能级,按能量最低原理,物质世界的电子都应跃迁到负能级上,迪拉克对此做出的解释是这些负能级已被电子占据,按照不相容原理,每个能级只能容纳两个自旋相反的电子,应此我们观察到的电子不能向下跃迁到负能级去。物质世界像是浸没在负能级电子的海洋中,这就是迪拉克之海。当有电子从负能级上被激发出来,留下的空穴表现为一个质量与电子相同、电荷与电子相反的粒子,这就是对第一个反粒子——正电子的预言。

在近年的流行科幻作品当中,都有出现过"迪拉克之海"这个名词,如杰弗瑞·兰迪斯的科幻小说《迪拉克之海上的涟漪》,大抵上与EVA当中所形容的相当近似,"一个直径约680公尺,厚3纳米(就是3*10-12米)的圆块"。而当中的名字"迪拉克"所指的是英国量子物理学家保罗·迪拉克(PualDirac)。他其中一项成就,就是提出有关电子(electrons)在电场(electricfield)和磁场(magneticfield)移动的理论,电子必须有它的反物质(anti-matter);在一九三二年,科学家卡尔?安德迅(CarlAnderson)首先发现阳电子(positron)的存在,就是带有正电荷的电子;而在人们以后的研究当中,也证实了反物质的存在。 迪拉克之海,一个只可以用复杂数学来形容的空间,律子更说这个空间更可能是其他的宇宙。

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