| 词条 | 演化规律 |
| 释义 | § 介绍 然而还有很多谱线薛定谔方程无法解释。比如钠黄光的谱线应该是一条波长为589.3nm的谱线，但实验给出的却是589.0nm和589.6nm的两条靠得很近的双线。为了说明这种双线结构，乌愣贝克和古德史密斯特于1925年提出电子自旋的概念，电子在磁场中的行为就像一根小磁针。自旋概念作为一个相当重要的概念被保留下来，但是认为它起源于电子自转的假设立即被否定了，因为要使电子产生实验观测到的磁矩，电子自转速度将远远超过光速。自旋作为一个外来的东西结合薛定鄂方程即可解释几乎所有的光谱。当时狭义相对论已经提出20多年，为当时研究的热点，可惜的是薛定谔方程不满足相对性原理。 薛定谔早年提出过一个后来被称为KG（克莱因和高登）方程的波动方程，它是满足相对性原理的，只可惜由于没有考虑电子自旋，无法得到与实验相符的结果。KG方程还有其它的一些困难，比如负能量困难、负概率困难等。后来泡利发现，只有把KG方程解释为场方程，将波函数再一次算符化（二次量子化）才能避免负概率困难，但负能困难仍然存在。后来发现反粒子之后被认为是沿着时间轴反方向运动的粒子，这样负能困难也得到了解决。KG方程后来成为描述自旋为0的粒子演化规律的有效工具。而且与相对论类似，在速度远小于光速时，KG方程近似的等价于薛定谔方程。然而对于电子为什么有自旋这一额外的自由度，KG方程仍无法了解。狄拉克给电子找到了一个波动方程——狄拉克方程。它同样满足相对性原理，只是这个方程是一个“数学怪物”，它是一个四分量的旋量方程。通过数学推导和角动量守恒这一普遍规律，很自然的得到了电子自旋的概念。相对论量子力学终于摆脱了人为引入自旋的尴尬境地，电子自旋原来是一种总角动量守恒下的相对论效应。四分量旋量方程中，有两个分量是描述电子的，余下的两个量似乎毫无意义。狄拉克敏感的意识到，另外两个似乎没有意义的分量描述的是带正电荷的电子，也就是电子的反粒子。正电子预言不久后就被安德森发现。狄拉克利用这个方程得到了氢原子的严格解，与实验惊人的相符，并证明了电子自旋g因子是2。狄拉克方程是自旋为1/2的粒子的波动方程，并不是只有电子才适用。狄拉克方程没有负概率困难，但仍然存在负能困难。负能困难是相对论量子力学的普遍性质。为了避免这一困难，狄拉克起初提出了真空负能电子海的概念，在泡利原理的协调下避免了这一困难，但是对于KG方程同样存在负能困难，而且由于KG方程描述的是玻色子，无法引入负能海的概念。因此，有一些科学家人为狄拉克的负能海已经完成了它的历史使命，狄拉克方程的负能困难还是应该像KG方程那样用沿着时间轴反向运动的粒子来解释。 20多年后，实验物理学家终于找到了狄拉克方程无法解释的实验：电子反常磁矩和兰姆移位。这并不是说相对论的基础——相对性原理错了，而是我们将库仑场想象的太简单了。在这两个实验的基础上建立了更精确的（也可以说是目前为止最精确的）理论：量子电动力学。该理论指出，电子与核的库仑力是由于电子与核交换虚光子实现的。虚光子在传播过程中产生虚的正负电子对，电子对再湮灭为虚光子，此过程称为真空极化。真空极化的屏蔽作用导致了兰姆移位。电子运动中会发出虚光子，然后再吸收它，表现为电子与它自身的电磁场发生相互作用，从而改变电子的固有磁矩。实验观测到的g因此并不是狄拉克方程预言的2，而是2.002319304376（8），与2的相对偏差为0.001159652188（4）。量子电动力学预言的相对偏差为：0.001159652133（29）。物理学家们以此为基础又建立了相对论量子场论。 人们在宇宙线、加速器、对撞机中发现了种类繁多的“基本粒子”，尤其是对撞机中，新粒子总是在高能对撞中产生。这是薛定谔方程无法解释的。在粒子数表象中，有两个很重要的算符：产生算符和湮灭算符。在薛定谔方程中这两个量总是成对出现的，即粒子在一个能级上湮灭后在另一个能级上产生，粒子数是守恒的，不会产生新的粒子。而通过求解狄拉克方程或KG方程可知，若有足够的能量，可以形成正负粒子对。比如，能量大于两倍电子静止能的光子可能会在重原子核附近形成正负电子对（之所以要在重原子核附近是要保证整个体系的能量动量守恒，因为按守恒律的要求，孤立的光子即使能量再高也不会转化为其它粒子）。早在安德森发现正电子之前，我国物理学家赵忠尧就已经通过高能γ射线与铅的相互作用观测到这一过程，但是由于当时的一些混乱和几个干扰实验，赵忠尧错失了发现正电子的机会，也与诺贝尔奖失之交臂。按量子场论的观点，真空是一切粒子的基态。若在小范围内存在足够的能量，则可能会激发出各种各样可能存在的粒子。 本节我们提到在对撞机中发现了种类繁多的“基本粒子”，我们自然会问，这些粒子真的是基本的吗？当我们发现了越来越多的元素，并发现了元素周期律后，会很自然的问一句：原子真的不可再分吗？同样，我们完全有理由追问一句：“基本粒子”真的不可再分了吗…… § 相关链接 科学 物理 |
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