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谈到场中出现的粒子,狄拉克指出,这会在场中留下一个洞。
回到冰激凌的类比,我们从桶中每挖一勺冰激凌都会产生一个冰激凌粒子,同时也会在表面形成一个同等大小的凹坑。
我们可以把粒子放回凹坑从而抵消它,这就像是在产生粒子的同时创造了一个颠倒的粒子洞。
这就是反粒子。
费曼的QED也预测了反粒子,但它以一种不同的方式出现—并非电子场中出现一个电子和一个空洞,而是有两个场:电子场和反电子场,光子场同时与这两个场耦合。
我们来重新看看电子吸收(或吐出)光子的费曼图。
费曼图有一个绝妙的特征,那就是它的任何角度都是有效的,所以我们可以旋转它,得到同样正确的答案。
如果我们把上图翻转90度就会得到:
我们从下往上读。
光子场中的量子在空间中传播,然后随机地决定消亡,将其能量转移到电子场中(一个光子转变成一个电子)。
但如果我们仔细观察,就能看到一些奇怪的东西。
其中一个电子的传播函数箭头指向相反的方向。
右边的传播函数代表电子,那么左边的传播函数一定是同时产生的某种相反的电子。
我们再次翻转这张图:
图中的两个箭头表示相互靠近的一个电子(右)和一个反电子(左),它们湮灭产生了一个光子。
(注意:由于数学上的原因,碰撞实际上产生了两个光子,而非一个。
这对我们的图没有任何影响。
[8])
“反电子长什么样?”
我听到你这样问。
它就像正常的电子,但是带相反的电荷。
反电子是正电子而非负电子。
但是,如果电子的电荷来自某个方向的光子,那么相反的电荷来自相反方向的光子吗?费曼神秘兮兮地回答,是的。
费曼在1949年证明,如果你画一个普通电子的传播子,并在方程中使它反向(费曼图的箭头相反),就能得到反电子的传播子。
费曼认为,反粒子是在时间上后退的普通粒子。
[9]
一些物理学家不喜欢时间后退粒子的观点,因为你不能一本正经地说电子可以穿越时间。
在我看来,这有点像爱因斯坦反对叠加态。
他不喜欢叠加态所暗示的东西,但无法判断它究竟是对还是错。
我们只能说,方程是成立的。
因此这只是一个喜好的问题。
反物质粒子确实存在,而且它们的行为与费曼所说的完全相同。
建造你的粒子检测器
卡尔·安德森用一种叫“云室”
的设备发现了反物质。
云室的设计非常简单,每个人都可以建造一个。
我尝试了几次,但我在实验室里和海森堡一样无能—尽管我知道如何更换烟雾报警器中的电池(有趣的是,烟雾报警器对我工作的任何实验室来说都至关重要)。
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