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暗物质=隐态粒子=场态粒子=对称粒子=正反粒子偶极子=电偶极子=狄拉克海
最先提出“反物质”的是狄拉克(Dirac),他为了描述电子(自旋为1/2的粒子)的运动而提出了Dirac方程。狄拉克通过对比牛顿力学与相对论力学的关系,自然地想把量子力学推广到相对论性量子力学。在量子力学中,最重要的是薛定谔方程:
其中
为哈密顿算符,其实就是牛顿力学下动能的形式,而狄拉克推广的想法简单地说就是把这个能量变为相对论中的能量:
其中把光速设为1了。这个方程的解就可能对应着两个能量,即+E和-E,狄拉克把负能量解释成反物质。狄拉克对此提出了“狄拉克海”,以电子为例,他认为宇宙中充满了电子,和海洋一样,但是某些电子可能由于某些原因被激发出海平面,这样这个电子原来的位置就留下一个空穴。这个空穴相对于充满电子的空间来说,就是带正电的正电子。当然现在我们知道这种解释并不是正确的。通过解Dirac方程发现,每一种粒子(自旋1/2的粒子)都必定存在其对应的反粒子,反粒子和粒子的质量完全相同,但是电荷等属性完全相反(注意与暗物质区分)。随着理论和实验的发展发现,不管自旋为多少,每一种粒子都有其对应的反粒子(特殊情况下,反粒子可以为其本身,如光子)。
1932年,安德森发现了正电子。安德森从1930年开始跟密立根做宇宙射线的研究工作。从1930年起安德森负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场
并快速拍下粒子径迹的照片,然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。1932年8月2日,安德森在照片中发现一条奇特的径迹,这条径迹和负电子有同样的偏转度,却又具相反的方向(上图),显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断,又不可能是质子。于是他果断地得出结论,这是带正电的电子。狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了。
虽然安德森是第一个发现正电子的人,但是实际上,在此之前,就有一名中国物理学家发现了正电子的迹象,他就是赵忠尧先生。
物质既不消灭,也不创生,其量总是守恒的,这就是所谓的物质守恒原理。物理变化中不论物体的形状、状态、位置如何变化,所蕴含的质量不变;物体分裂成几个部分时,各部分质量之和等于原物体质量。在孤立系统中,不论发生何种变化或过程,其总质量保持不变。质量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。它表明质量既不会被创生,也不会被消灭,而只会从一种物质转移到为另一种物质,总量保持不变。
物理变化质量守恒:物理变化中不论物体的形状、状态、位置如何变化,所蕴含的质量不变;物体分裂成几个部分时,各部分质量之和等于原物体质量。即使当物体加减速运动时,动质量也不会变化,动质量恒定等于静止质量。
化学反应质量守恒:化学反应因没有原子变化,质量总是守恒的。化学反应中的质量守恒包括原子守恒、电荷守恒、元素守恒等几个方面。
核反应的质量守恒:由于锁定场态粒子、半锁定场态粒子与自由场态粒子相互转化,锁定场态粒子和半锁定场态粒子位于显态粒子之中,这里存在着场态粒子和显态粒子的相互转化,表面上看,显态粒子的质量发生了变化,但本质上,仅仅是场态粒子和显态粒子的相互转化,质量仍守恒。
量子场论认为粒子可以凭空产生和消失,从此认为物质守恒定律被打破。而实际上,并不是粒子真的凭空产生或消失,而是场态粒子的对称性破缺与恢复的往复变化过程,也就是量子场论中场的基态和激发态的往复变化过程。场态粒子的对称性破缺而形成显态粒子,而对称性恢复又形成了场态粒子。量子场论认为的粒子凭空产生和消失本质上是场态粒子和显态粒子的相互转化,仅仅是粒子存在状态的变化,物质没有创生,也没有消灭。实际上,场态粒子是量子场论的物质基础。
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