基本粒子11︱赵忠尧，首次次发现反物质对效应，为啥没获诺奖？( 二 ) 世界的奇妙远超人类的想象

但是描述电子的自旋只需要两个分量，但是狄拉克的方程却导出了四个，而且还出现了负能解，负能解描述的是负能量电子的运动。

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负能量这是什么鬼？完全没见过，最好的解决办法就是忽略这个没有物理意义的解，但狄拉克不一样，它的物理直觉告诉自己，这个解可能还真有物理意义。

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其实出现负能量的问题，并不是狄拉克首先遇见的，在爱因斯坦描述物质携带能量的公式中，能量那一项有个平方，这也意味着能量可能具有正负。那正能量最低值就可以是MC2 ，负能量最大的值就是-mc2 ，正能量世界和负能量世界中间有一个宽度为2MC2的间隙。
由于爱因斯坦的这个方程完全就是描述经典世界的方程。经典世界中的宏观物质它是连续运动的，不可能通过连续运动越过中间这么宽的能隙，所以当时人们就忽略了这个负能量的解。
但是量子世界不同，它是间断性的，随着波函数的扩散，粒子喜欢神秘的跃迁，越过能隙也是有可能的，所以狄拉克就算了一下，这原子中的电子是有一定的几率会在10^-8秒跃迁到负能级的。
如果真发生这样的事，那后果非常严重，氢原子的电子就会一瞬间消失掉，跑到负能量的状态上，整个物质世界都会崩溃掉的。

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所以狄拉克觉得不能回避这个负能级了，因此它就要解释为什么电子没有跑到负能级上？为了解决这个困难，狄拉克就想到泡利的不相容原理。
这个原理说的是，两个全同的费米子，不能待在同一空间。由于电子的是费米子，因为它的自旋是1/2 ，所以在原子的空间中不存在两个量子态相同的电子。
这就可以解释为什么电子没有跃迁到负能级了，因为负能级的轨道都已经被具有负能量的电子填满了，所以正能量的电子跃迁不下去了。
这样的解释就意味着，如果我们给这个负能量电子提供以能量，它们就会被激发到正能态，这是由于一个电子跑了，那在真空中就会出现一个空穴，这个空穴就相当于一个正能粒子，但是它的电荷和电子相反，质量和自旋以及所有的性质都和电子一样，它就是正电子。

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这就是狄拉克对正电子，或者是反物质的预言。大约就在同一时间，我国核物理方面的鼻祖赵忠尧，他在加州理工大学跟过密里根，在卡文迪许实验室跟卢瑟福一起工作过， 1931年回国，为祖国效力。
就在1930年的时候，赵忠尧当时正在用高能γ射线轰击物质，观察物质对γ射线的吸收规律，他就发现了一个反常的现象，物质经过伽马射线撞击以后，会朝着不同的方向辐射出一个能量为0.5Mev的γ光子，不仅反向是随机的，辐射出来的γ光子的能量也是确定的。

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这个现象不能用伽马光子与核外电子的散射来解释，更像是与原子核的相互作用，当时就把这个过程叫做反常核吸收现象。
这是赵忠尧首次发现的，所以也叫赵忠尧特征辐射，后来很多的同行都发现了这个现象。到了1932年，美国物理学家卡尔·安德森在山上研究宇宙线的时候，就在云室中发现了狄拉克预言的正电子。
云室我们之前说过，它可以显示粒子的径迹，我们在把云室放在磁场中，根据带电粒子在磁场中的偏转情况，我们就能看出这个粒子带正电还是负电，还能算出粒子的电荷，质量之类的信息。
所以安德森只用了一个晚上的时间就确认了这是正电子，就是狄拉克预言的反物质。正是因为这个工作安德森获得了1936年的诺贝尔物理学家。

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正电子发现以后，人很快就对赵忠尧特征辐射做出了解释，这就是狄拉克所说的，给真空赋予能量，会从真空中激发出一个电子，产生一个空穴（正电子），随后电子又落回到空穴，也就是电子和正电子湮灭就变成了两个光子，之所以是变成两个光子，而不是一个光子的原因是，两个光子可以朝着相反的方向射出去，这样就能保证不仅能量守恒了，动量也守恒了，那之所以每个光子的能量是0.51Mev ，其实这就是一个电子的质量。