张延年 - 暗物质与宇宙模型.pdf

狄拉克之海简单说就是量子真空的零点能组成的负能量的粒子海。尽管这些粒子是不可观察的，但它们决不是虚幻的，如果用足够的能量就可以形成，哪里有物质，哪里就有狄拉克之海，想象观察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。

电子的相对论量子力学方程——狄拉克方程可解出自由电子的负能级，按能量最低原理，物质世界的电子都应跃迁到负能级上，狄拉克对此做出的解释是这些负能级已被电子占据，按照不相容原理，每个能级只能容纳两个自旋相反的电子，因此我们观察到的电子不能向下跃迁到负能级去。物质世界像是浸没在负能级电子的海洋中，这就是狄拉克之海。当有电子从负能级上被激发出来，留下的空穴表现为一个质量与电子相同、电荷与电子相反的粒子，这就是对第一种反粒子——正电子的预言。狄拉克之海也是对正电子存在的描述。

保罗·狄拉克其中一项成就就是提出有关电子（electrons）在电场（electric field）和磁场（magnetic field）移动的理论，电子必须有它的反物质（anti-matter）；在一九三二年，科学家卡尔·安德迅（Carl Anderson）首先发现阳电子（positron）的存在，就是带有正电荷的电子；而在人们以后的研究当中，也证实了反物质的存在。

这有甚么的结论呢？让我们想想，为什么在我们这个宇宙，很少反物质的存在呢？有科学家认为，这是因为在宇宙产生（或许是大爆炸？），物质与反物质的分布不平均所导致的。于我们的宇宙来说，就是物质大大多于反物质了。因为正、反物质相撞会消失，而剩下来的只是能量，所以当物质多于反物质时，最后就只会有物质能留下来了。然而，这只是说我们的宇宙，其他的宇宙呢？可以想得到，因为在宇宙产生之时的物质与反物质的分布不同，会有一个反物质宇宙的存在也不是什么奇怪的事吧！如果在宇宙产生之时，物质与反物质的分量是一比一的时候，会有一个只有能量存在的宇宙也是可能的。当然了，也有其他我们不能了解的宇宙存在的可能。

简言之就是，这个宇宙起初是由无数物质（电子）和反物质（正电子）构成的，物质和反物质的湮灭产生的无数的正负电子对就是所谓的狄拉克之海，也就是构成这个世界的基础。宇宙中物质多过反物质，所以未湮灭的物质构成了我们现在生活的这个世界。

缺陷

狄拉克之海模型虽然成功预言了正电子的存在，但它的缺陷也是显而易见的：狄拉克之海的存在要求真空中充满无限多的负能量态电子，这也使得一个“绝对真空”的存在还需要无限多的正能量态电子。同时这个真空中由于具有无限多负能量态的电子，因此它具有无限大的能量密度并且这是不可测量的，只有密度变化是可测量的。特别是在反玻色子在实验中被发现后，由于玻色子不受泡利不相容原理的约束，狄拉克之海并不能对反玻色子的存在作出解释。

二十世纪三十年代后发展的量子场论重新诠释了狄拉克方程的含义，这使得正电子能够被当作一个实在粒子对待而不再是狄拉克之海中的一个空洞，而真空态也真正成为一个不存在粒子的“绝对真空”。相关的量子场理论对反粒子的解释更具有说服力，它能够同时对反玻色子和反费米子作出解释并且能保证原有狄拉克之海解释的正确性，但仍有一些问题未能解决，特别是关于真空具有无限大的能量。

粒子的存在状态包括显现态和隐身态。只有对称的正反粒子偶极子才能处于隐身态，这是由于垂直于正反粒子偶极子偶极方向辐射最强，而平行正反粒子偶极子偶极方向辐射为零。如果把振动电子视为偶极，则在反射光方向辐射为零。也就是说，具有高度对称性的正反粒子偶极子只能向前传递电磁波，无法反射电磁波。因此，对称性完好的正反粒子偶极子可被称为隐态粒子或场态粒子。

实际上，暗物质是由隐态粒子构成的，而这些隐态粒子能够形成各种场。而这些粒子之所以能够成为隐态粒子主要由于对称性，而这些粒子实际上就是正反粒子对，而我们通常谈论的电偶极子实际上就是正反粒子偶极子，即：

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

除正反粒子偶极子以外的其他任何非对称粒子一定处于显现态，这是由于粒子的对称性破缺可以使电磁波反射，因此，对称性破缺的粒子可被称为显态粒子。

光子是一种电磁相互作用的媒介粒子，实际上是粒子间相互诱导力，粒子通过相互诱导传递能量，主要表现形式是电磁波。锁定场态粒子、半锁定场态粒子和自由场态粒子均可以传递电磁波。

胶子是强相互作用的媒介粒子，实际上是粒子中锁定场态粒子传递的电磁相互作用。由于电磁力同时存在吸引力和排斥力，在平衡位置吸引力和排斥力平衡，形成所谓的渐近自由；当大于平衡间距时，吸引力显著大于排斥力，进而形成禁闭现象。

W及Z玻色子是弱相互作用的媒介粒子，实际上是粒子间的半锁定场态粒子间传递的电磁相互作用，而半锁定场态粒子是弱相互作用粒子的组成部分，因此半锁定场态粒子不仅可以传递电磁相互作用，也可以相互传递粒子。

粒子共分为场态粒子、显态粒子和虚拟粒子3类。

场态粒子又称隐态粒子，场态粒子包括所有正反粒子偶极子，是一种对称粒子。场态粒子包括锁定场态粒子、半锁定场态粒子和自由场态粒子。

显态粒子是除正反粒子偶极子以外的其他任何非对称粒子。属于对称性破缺粒子。对称性破缺包括电荷对称性破缺、质量对称性破缺、运动状态对称性破缺等。

虚拟粒子是相互作用的媒介粒子，不是真实存在的粒子，仅仅是粒子间某种状态的相互作用，也可以理解为粒子间的能量交换。

虚拟粒子本质上是粒子间的相互作用，长期以来被称为粒子，这是为了衔接现有理论而提出的。虚拟粒子对于粒子的动力学研究至关重要，但物质与相互作用有着本质区别，虚拟粒子的概念将会被逐渐弱化，相互作用的概念会逐渐被强化并取代虚拟粒子而成为规范性描述词语。

确认能够以自由状态存在的各种最小物质统称为粒子。电子、中子、质子等是最早认识的一批粒子，陆续发现了大量的粒子的数目达数百种，粒子是物质存在的一种基本形式。

场是物质存在的另一种形式，这主要在于各种正反粒子偶极子是弥散于全空间并形成各种不同的场，它们互相渗透和相互作用着。正反粒子偶极子的不同势能对应不同形式的场，场的激发表现为正反粒子偶极子电离或粒子对显现，不同激发态表现为粒子的数目和状态不同。场的退激发表现为粒子对结合或正反粒子偶极子隐身。场的相互作用可以引起激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程，也就是说场是物质存在的另一种基本形式。

而物质处于显现态时主要表现为粒子性，处于隐身态时主要表现为场的特征。因此，物质的粒子和场是辩证统一的。

场态粒子内部的对称粒子时刻运动，偶极矩不断变化，产生各种不同的瞬时偶极。另外，场态粒子之间的瞬时偶极也会相互诱导，粒子间也会产生诱导偶极。场态粒子的各种运动状态的概率相同，因此整体上具有良好的对称性。

当只有场态粒子时，场态粒子电荷、质量、密度、状态等都是均匀的，具有良好的对称性。在没有显态粒子时，场态粒子对称性不会自发破缺。

当场态粒子中出现显态粒子时，显态粒子一旦出现电荷对称性破缺，就会引起场态粒子规律性地电荷对称性破缺，形成电磁场。即电磁场是由于显态粒子电荷对称性破缺引起场态粒子规律性电荷对称性破缺产生的。

显态粒子质量对称性破缺，就会引起场态粒子规律性质量对称性破缺，进而产生场态粒子整体密度对称性破缺，形成引力场。即引力场是由于显态粒子质量对称性破缺引起场态粒子规律性质量对称性破缺产生的。

当显态粒子一旦出现运动状态对称性破缺，就会引起场态粒子规律性运动状态对称性破缺，形成惯性场。即惯性场是由于显态粒子运动状态对称性破缺引起场态粒子运动状态对称性破缺产生的。

只有显态粒子或只有场态粒子都不会形成场，只有显态粒子和场态粒子不断地相互作用才能产生场。场是场态粒子和显态粒子相互作用形成的，粒子和场是辩证统一的。有的时候我们专注于粒子的粒子性，有的时候我们专注于粒子的场的特性，但二者是无法分割的，因此场具有粒子的一切特征，包括质量、动量和能量。

没有可见物质影响时，暗物质本身不能形成场。当受到外界物质影响时，产生不同的势能，并形成各种场，即各种场是暗物质的不同势能。暗物质因为电荷存在而极化，进而产生电势能，并形成电场。暗物质因为电流或磁性物质存在而轨道偏转，进而产生磁势能，并形成磁场。暗物质因为可见物质密度提高，进而产生引力势能，并形成引力场。

当各种场变化时，存在着动能和势能的转化过程，在变化的过程中会以波的形式传递能量，暗物质密度变化会传递引力波；而电场和磁场的变化会传递电磁波。

暗物质本身也具有内能，暗物质粒子不断地进行热运动，这种热运动会通过一定的电磁波进行能量交换。