《世界存在的本質 07》

1897年，湯姆遜通過對陰極射線磁偏轉和電偏轉的觀察和測量，確認射線是帶負電的運動粒子。因為它的質量隻有最小化學元素氫原子的二千分之一，湯姆遜推翻了原子不可分割的假設。他觀測到的正是遊離在原子之外的電子。1900年，普朗克提出光量子理論。電磁波又被認為有粒子的形態和性質，稱為光子。至今在現代物理學裏，電子和光子是發現最早的組成物質最基本的粒子。

基本粒子不存在內部結構。事實上，我們對基本粒子的認識是一個兩難境地。我們不可能了解太多，這樣基本粒子不再基本。但也不能知之太少，這樣基本粒子無法描述。我們不知道電子的形狀和體積大小。它的大小會隨探測粒子的能量而變化。但是我們知道電子的基本特性。或者說，一個電子的特性確定它是電子。電子的靜止質量（用能量單位來表述）大約0.5百萬電子伏特。它帶有一個能夠觀測到的最基本單元的負性電荷。它的自旋是1/2。當一個粒子的自旋是半整數倍的，我們定義為費米子。整數倍自旋的粒子是玻色子。兩類粒子的物理特性不同。電子是費米子。相比較，光子沒有靜止質量。它不停地以光速運動。光子也沒有電荷。它的自旋是1。所以光子是玻色子。迄今為止，人類了解的最完善透切的基本粒子就是電子和光子。它們也是現代信息技術的基石。所有信息處理，信息儲存，和信息傳遞的實現都離不開電子和光子。當你看手機的時候，成千上億的電子和光子在為你工作。信息器件的製作也離不開電技術和光技術。更廣泛地講，一百多年以來的電氣時代和信息時代應該說是電子和光子的時代。在一百多年前，物理學家的一個首要任務就是理解當時物質的電現象和光現象，以及它們內在的物理本質。

薛定諤的量子波動理論極其完美地解釋了氫原子光譜並且擴展人們對原子的認知。但是，薜定諤認識到更完善更普適的理論必須在相對論的框架裏。他的嚐試沒有成功。克萊因和戈登也想要得到相對論波動方程。但是自由空間裏電子的相對論動量-動能關係意謂著對時間的二階導數和對空間的四階導數。而狄拉克神奇一般地用矩陣代替數係數，將四階導數的方程降到二階。同時，電子自旋由這個方程自然地產生出來，不再需要預先設定。電子的自旋磁矩為2。沒有人知道狄拉克為什麽會這樣處理。但這似乎暗含狄拉克神奇想法和大自然的某種契合。

狄拉克是一個很特別的人。他一輩子都像營養不良的樣子，還習慣於在晚間工作。他極其寡言少語，書也寫得簡潔。狄拉克對一個好的物理理論的評判是它必須有數學上的美感。狄拉克方程簡潔，對稱，規範，正是滿足這個條件。但是這個方程不僅描述了電子，還給出了一個負能量的粒子解。狄拉克的解釋是世界存在無限多個負能級。世界的基態，或者說真空態，其實是所有這些負能級被電子填滿。當一個電子被激發出來時，就會出現一個空穴。它的電荷和自旋與電子正好相反，質量與電子相同。狄拉克預言了正電子的存在。四年後的1932年，正電子在宇宙射線裏被發現。現在我們知道正電子是電子的反粒子。所以的粒子都有對應的反粒子。光子的反粒子是光子本身。狄拉克的空穴理論被借用到半導體物理中。當然半導體能帶裏隻有有限的量子態。

--寫於2022年7月23日（圖片來自網絡）