狄拉克与反物质

来源:未知 发布于 2019-10-26  浏览 次  

  狄拉克与反物质_军事/政治_人文社科_专业资料。一片神奇的“新大陆” —————狄拉克与反物质 本世纪二十年代,相对论和量子力学相继建立,人们立即想到把量子力学和相对论统一起来.1928 年, 保罗.狄拉克(P.A.M.Dreac 1902—198

  一片神奇的“新大陆” —————狄拉克与反物质 本世纪二十年代,相对论和量子力学相继建立,人们立即想到把量子力学和相对论统一起来.1928 年, 保罗.狄拉克(P.A.M.Dreac 1902—1984)首先提出相对论波动方程,这个方程以其简明深刻的物理内涵打 开了通向形式复杂、 内容丰富的相对论量子力学知识宝库的大门, 狄拉克在尝试二十世纪的两个最重要的原理结 合起来的实践中,凭借自己非凡的想象力,大胆地预言了存在一片尚未开发的神奇的“新大陆”——反物质. 一、狄拉克的预言 1927 年,海森堡(WK.Hersenberg l901—1976)和薛定谔(E.Sehrodigerl887—1961)从不同途径得出的 量子力学的数学形式, 这些形式能够圆满地把不表现相对论效应的所有撤观现象都概括进去, 而且解决得相当成 功但是,当把相对论性也考虑进去时,便退到了极大的困难.1928 年,狄拉克以此为探索的起点,从相对论和 量子力学的一般原理出发,提出了一个描述单个电子运动的相对论性的量子力学方程.实践表明,这是一个正确 描述高速运动的电子的量于力学方程. 但是,沃拉克理论本身却存在着一个严重的困难.因为,狄拉克方程有两个解,一种解,粒子总能量是正的; 另一种解,粒子的总能量是负的,即存在无穷多的负能量态,并且正能态和负能态是完全对称的.这样,狄拉克 方程极为鲜明地提出了一个所谓“负能态”的科学问题. 为了解决方程中的“负能”的出现是否合理性,狄拉克根据泡利不相容原理,于 1930 年提出了一个大胆的 设想,并首先对“真空”这一古老的概念进行了全面革新;他认为;物理上的所谓真空并非真的空无一物,实际 上是所有的负能态全部为电子所占据,形成负能态的“电子海” ,同时,所有正能态都是没有电子占有的状态, 这些无穷个负能电子的电荷、 惯性以及于电磁场的作用将不造成任何可观察的效应. 由于电子满足费米统计规律, 遵从泡利不相容原理,每个态上只能被一个电子所占据,所以,这无穷多的电子分别占据在无穷多的负能海上, 且全部占满. 狄拉克在”电子海’ ”的基础上,又进一步展开想象的翅膀,他想,既然真空是全部填满的负能电子海,那 么从电子海中挖出一个电子又相当于什么呢?那就会出现一个正能态的电子和一个负能态的空穴. 狄拉克认为激 发出来的这个正能态电子,它带一个单位的负电荷,而电子被激发出以后在电子海中留下了这个空穴,就表现为 一个带正电荷的电子,因此, “负能态”这一科学问题的一个必然的逻辑推论是;自然界中存在一种与电子性质 相同,具有相反电荷的粒子——正电于. 二、正电子的发现 狄拉克以其敏锐的眼光从理论上大胆地预言,自然界中存在着正电子.他慎重地指出正、负电子对能够由光子 在真空中产生出来;当正电子和负电子碰撞时,就会湮灭变成光子.狄拉克的预言一开始在科学界并没能引起注 意,一些人对此很不以为然.例如泡利( L.W Pawli l900—1958)就说过; “使理论(指狄拉克方程)保留目 前形式的企图,在其结果面前看来是毫无希望的了” . 然而时隔不久,1932 年,美国物理学家安德森(C.D.Anderson l905 年生)在云室中出乎意料的拍到了一 张正电子的照片.实验是这样的;安德森利用放在强磁场中的威尔逊云雾膨胀一次的速度拍照.在云雾室中,他 加了一块 6 毫米厚的铅板,当字宙线中的粒子通过室内的强磁场时,用快速拍照的方法拍下粒子径迹的照片.安 德还原以为宇宙线打出来的次级带电粒子应该都是电子, 但结果他却发现了与众不同的照片安德森根据粒子在磁 场中偏转的方向和磁场的方向,得知这种粒子是带正电的;根据粒于径迹的长度、粗细、曲率半径以及磁场的强 度等数据,发现这种粒子的速度很高而动量却不大,说明它的质量很个,肯定不是质子;根据水滴密度判断这个 粒子的径迹与电子的径迹却很相似.当时,安德森并不知道狄拉克关于正电子的预言,而且以自己的实验事实发 现了一个与狄拉克在数学推理中导出的相同的科学问题.后来,当他得知秋拉克的理论预言后,立即把自己观察 到的质量与电子质量相同的带正电荷的电子命名为正电子” . 正电子的发现在物理学史上是一个重要的里程碑,它导致了量子场论的诞生.在正电子发现后的 1934 年, 约里奥一居里夫妇(F-Joliot l900 一 1958、I- Joliot-Curie l897—1956)证明,能量超过 50 万电子伏特的两个光子 相遇,会转化为正、财神爷图库47005深圳,负电子对. 1955 年,美国物理学家塞格雷(E,Segre l905 年生)和张伯伦(D.Chamberlain1920 年生)利用美国首建 的 622v 质子同步加速器发现了反质子,1956 年,考尔克又发现了反中子,1960 年,基辅国际高能物理学会上, 中国的王途昌小组和美国的的阿尔瓦莱兹小组同时宣布发现了新的反超子:Σ 和 A,到六、七十年代,从理论上 推测应该存在的各种反粒子均已不到. 三、制造反物质 由于反粒子预言的成功,导致人们制取反物质的浓厚兴趣,1965 年,美国科学家在实验室中产生了第一个 反物质—一氘:1971 年,苏联科学家又利用高能加速器,在极短的一瞬间产生了一种反氦的原状核,在反物质 这块新大陆上人们越走越远,收获越来越大.由于反物质只是普遍物质中行踪不定的漂泊者,它在物质中只生活 很短的时间,然后它就与自身对称的正物质相湮灭,在自己的位置上留下了湮没时释放的巨大能量,人们依据这 一原理产生了反物质武器的构想. 早在 1947 年,美国的“氢弹之父”爱德华一泰勒(Edward Teller 1908 年生)就曾预言过这种武器,但直至 今日,人类还未曾能够生产、储存、使用反物质.1983 年,美国兰德公司曾耗资 200 万美元为美国空军进行了 一项生产和使用 10 个质子/秒的可行性研究,最终未知其详.1989 年 7 月,欧洲粒子物理实验室在日内瓦的电 磁装置上首次“捕获”到反质子,其生成率达 10 个反质子/秒,但所获得的反质子仅能保持约 10 分钟.反物质 武器若能研制成功,它的特点是可想而知的,首先是能量密度极其巨大,而且易于点燃.不像裂变反应那 样要求临界质量, 也不像氢弹聚变反应那样要求初始点火温度, 反物质武器的出现将会使现今所有的热核武器黯 然失色. 三、探索反宇宙 1933 年,狄拉克因他的电子和正电子理论的成功而获得诺贝尔物理学奖,是年 12 月 12 日,他在斯德哥尔 摩的颁奖仪式上发表演说中说道; “如果我们采纳迄今在大自然的基本规律中所揭示出来的正负电行之间的完全 对称的观点,那么;我们应当看到下述的情况实在是一种偶然:地球,也可能整个太阳系中,电子及质子在数量 上占优势.十分可能,对某些星体来说,情况并非如此,即这些星球主要是由正电子及负质子构成的事实上,可 能每种星球各占一半、这两类星体有完全相同的光谱;用现有的天文学方法是无法辨别这两类星球的. ”这就是 说,狄拉克主张宇宙应当是对称的,从字宙的大尺度来看,应当有一半物质,一半反物质,二者在数量上是相等 的.诚如狄拉克指出的;即使有些星体是由正电子及质于构成的,你也不能用光谱方法辨认出这些星体.但是, 现代天文学还是有办法来判断字宙中是否有一坐的反物质. 由太阳风的存在就可以断言整个太阳系是由物质构成的. 太阳风是质子和氨核构成的粒子流, 它们从太阳出 发吹遍整个太阳系.如若太阳系甲有反物质存在,就会与太阳风粒子相遇而发生湮灭,湮灭过程伴随有很强的γ 射线辐射.可我们从来没有在太阳系里看到这种强的辐射.比如,若木星是由反物质构成的,则扫过木星的太阳 - 风与木星上反物质湮设而产生的 Y 射线,其强度比观测到的γ 射线 的倍.因此,木星不可能是反物 质星,整个太阳系中反物质含量应大大小于物质. 太阳系之外的情况,可以用宇宙线来判断.字苗线的源是一些活动强烈的天体.如脉冲量、超新星等.加之、 宇宙线从源到地球的传播路径上只经过极稀疏的星际介质空间,它们不会显著改变宇宙线的成分.所以,宇宙线 甲的反物质成分. 就反映着源大体中的情况, 从对宇宙线的观测可知源天体中反物质含量不会超过物质含量的万 分之一. 在更大的范围上,例如对于星系团的物质成分问题,可求助于 X 射线天文学.在许多星系团中,已经观察 到相当强的 X 射线发射,这证明,在星系团中弥漫着炽热的等离子体.它们在星系团中作用就像太阳风在太阳 系中作用一样,亦即,如果星系团有等量的物质和反物质;就会因这些星际气体的存在而引起强的湮没辐射.因 此,在整个星系团范围上,反物质的含量也不会超过百万分之一. 在此,星系团还大的空间范围里,可以利用遥远的射电源的射电辐射来判断正反物质含量的比例.射电源的 辐射,往往是偏振的.当偏振辐射通过具有磁场的区域时,会发生偏振面的转动,这叫做法拉第旋转、或法拉第 效应.旋转的方向取决于该区域中主要会有电子还是正电子.正反物质区的法拉第转动方向是相反的,因此,若 宇宙间有大体等量的物质区和反物质区, 就不会存在明显的法拉第转动, 即两种区域所引起的转动相互抵消了. 然 而,几乎个个射电源有法拉第转动,这就证明,物质与反物质的含量,必定是不等的. 总之,所有证据都支持物质反物质不对称的断言,粒子与反粒子的数量不相等,前者要比后者多得多;地拉 克当初每种星体各占一半的预言显然是错误的. 到今为止, 我们还尚无确凿的证据证明存在一个与我们的宇宙相 对称的屋宇宙的存在. 不论如何,狄了克凭借超人的想象力,不但成功地预言了反物质的存在,还独辟澳径地提出了对今天仍有巨 大影响的两大假设, 即磁单报极假说和大数假说; 这些假说正激励着现代物理学家们不知疲倦地寻找磁单极子和 验证大数定律.他的这些富有天才的想象力,不正是十分强烈地促进人类发展的伟大天赋吗? 参考书目: l.朱新民主编科学争论集 长沙:湖南科学技术出版社 1998P139148 2. [美啊*热著苟坤劳玉军译可怕的对称 长沙:湖南科学技术出版社 1995.P46--48 3.袁运开、王顺义主编 世界科技英才录科学方法卷 上海:上海科技教育出版社 1998.P277—283 4.方励之、李淑姻著宇宙的创生 北京;科技出版社 1988.P124—138 5.俞允强著大爆炸宇宙学 北京;高等教育出版社 1995、P72--85.

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