《世界存在的本质 07》

1897年，汤姆逊通过对阴极射线磁偏转和电偏转的观察和测量，确认射线是带负电的运动粒子。因为它的质量只有最小化学元素氢原子的二千分之一，汤姆逊推翻了原子不可分割的假设。他观测到的正是游离在原子之外的电子。1900年，普朗克提出光量子理论。电磁波又被认为有粒子的形态和性质，称为光子。至今在现代物理学里，电子和光子是发现最早的组成物质最基本的粒子。

基本粒子不存在内部结构。事实上，我们对基本粒子的认识是一个两难境地。我们不可能了解太多，这样基本粒子不再基本。但也不能知之太少，这样基本粒子无法描述。我们不知道电子的形状和体积大小。它的大小会随探测粒子的能量而变化。但是我们知道电子的基本特性。或者说，一个电子的特性确定它是电子。电子的静止质量（用能量单位来表述）大约0.5百万电子伏特。它带有一个能够观测到的最基本单元的负性电荷。它的自旋是1/2。当一个粒子的自旋是半整数倍的，我们定义为费米子。整数倍自旋的粒子是玻色子。两类粒子的物理特性不同。电子是费米子。相比较，光子没有静止质量。它不停地以光速运动。光子也没有电荷。它的自旋是1。所以光子是玻色子。迄今为止，人类了解的最完善透切的基本粒子就是电子和光子。它们也是现代信息技术的基石。所有信息处理，信息储存，和信息传递的实现都离不开电子和光子。当你看手机的时候，成千上亿的电子和光子在为你工作。信息器件的制作也离不开电技术和光技术。更广泛地讲，一百多年以来的电气时代和信息时代应该说是电子和光子的时代。在一百多年前，物理学家的一个首要任务就是理解当时物质的电现象和光现象，以及它们内在的物理本质。

薛定谔的量子波动理论极其完美地解释了氢原子光谱并且扩展人们对原子的认知。但是，薜定谔认识到更完善更普适的理论必须在相对论的框架里。他的尝试没有成功。克莱因和戈登也想要得到相对论波动方程。但是自由空间里电子的相对论动量-动能关系意谓着对时间的二阶导数和对空间的四阶导数。而狄拉克神奇一般地用矩阵代替数系数，将四阶导数的方程降到二阶。同时，电子自旋由这个方程自然地产生出来，不再需要预先设定。电子的自旋磁矩为2。没有人知道狄拉克为什么会这样处理。但这似乎暗含狄拉克神奇想法和大自然的某种契合。

狄拉克是一个很特别的人。他一辈子都像营养不良的样子，还习惯于在晚间工作。他极其寡言少语，书也写得简洁。狄拉克对一个好的物理理论的评判是它必须有数学上的美感。狄拉克方程简洁，对称，规范，正是满足这个条件。但是这个方程不仅描述了电子，还给出了一个负能量的粒子解。狄拉克的解释是世界存在无限多个负能级。世界的基态，或者说真空态，其实是所有这些负能级被电子填满。当一个电子被激发出来时，就会出现一个空穴。它的电荷和自旋与电子正好相反，质量与电子相同。狄拉克预言了正电子的存在。四年后的1932年，正电子在宇宙射线里被发现。现在我们知道正电子是电子的反粒子。所以的粒子都有对应的反粒子。光子的反粒子是光子本身。狄拉克的空穴理论被借用到半导体物理中。当然半导体能带里只有有限的量子态。

--写于2022年7月23日（图片来自网络）