狄拉克方程量子相对论与反物质的预测

　　在1920年代前后，物理学家发现了了解现实基本性质的两个关键。爱因斯坦的狭义和广义相对论改变了我们思考运动、空间和时间的方式。新兴的量子力学领域从根本上改变了我们对宇宙基本组成部分的理解。然而，在1928年，一个绝妙的见解将这些理论结合在一起，揭示了现实的量子结构，它还可以预测反物质的存在。 薛定谔方程的局限性
　　到1920年代后期，爱因斯坦和普朗克已经证明光既是粒子也是波。德布罗意也从理论上证明所有物质都具有这种双重波粒性质。玻尔、海森堡、玻恩、泡利和其他人拼凑出对亚原子粒子怪异性质的数学描述。然后，在1926年，薛定谔写下了他著名的方程——薛定谔方程。它描述了这些表示波函数的物质波如何随时间变化，并使物理学家能够预测量子系统的演化。
　　然而，薛定谔方程也有问题。首先最明显的是，薛定谔方程与爱因斯坦的相对论完全不相容。在相对论中，空间和时间的维度本质上是相互联系的，它们随着参考系的变化而相互变动，但是薛定谔方程还是处于空间和时间相互独立的状态。相对论告诉我们，时间的流逝取决于速度，所以薛定谔方程只适用于缓慢移动的物体，但亚原子粒子通常以接近光速的速度移动。
　　薛定谔方程的另一个问题是，它将粒子描述为简单的波函数：可能位置的分布和没有内部属性的动量。然而，我们现在知道许多基本粒子都有一种称为自旋的内部特性。在没有磁场的情况下，我们可以忽略薛定谔方程中的自旋，并得到近似的答案。但是当存在磁场时，自旋方向变得非常重要。因此，对于快速移动的电子和电磁场中的电子，薛定谔方程给出了错误的答案。
　　狄拉克方程
　　英国物理学家保罗·狄拉克也考虑了这些问题，他想要一个适用于电子的薛定谔方程的完全相对论版本。他写下了爱因斯坦著名的方程：E=Mc²，但其完整形式包括动量。然后，他使用量子力学表达式来表示能量和动量的关系。但最后的结果是一团糟。
　　狄拉克偶然发现了一个简单的想法，它导致了可怕的数学坍塌成一个极其简单、美丽的方程式。这种简化需要狄拉克进一步扩展电子的内部运作，与泡利理论中的上下两分量旋量不同，他需要四个分量。虽然他不知道另外那两个额外的神秘成分意味着什么，但由此产生的狄拉克方程是如此简单、优雅。它描述了奇怪的四分量粒子波函数的时空演化，也包含了量子力学中的约化普朗克常数和狭义相对论中的光速c。
　　狄拉克方程完美地预测了电子在任何速度下的运动，即使在电磁场中也是如此。但它提出的问题比它能回答的问题还要多。首先，四分量电子中那两个额外的自由度到底是什么？答案来自使用这个方程计算电子的能量。它预言了一些完全奇怪的事情，允许电子以负能量状态存在。这会导致一些奇怪的效果，例如一个在电磁场中运动的孤电子可以不断以光的形式释放能量，从而达到无限的负能量状态。但我们知道，这在现实中并不会发生。
　　反物质的预测
　　狄拉克想出了一个称为＂狄拉克海＂的办法来解释这一点。想象一下宇宙中无处不在的电子海洋，这些电子占据所有负能量状态。只有当一个电子具有正能量时，我们才能真正与电子相互作用，而这个电子会浮在＂海面＂。如果这个想象中的海洋的能量状态都完全充满，那么额外的一个电子就不能再失去任何能量了。
　　狄拉克海的想法导致了奇怪的预测。从海面去除一个电子，它会留下一个空穴，这个空穴本身应该就像一个粒子。它会有惯性，就像它拥有丢失电子的质量一样；它也会表现得好像它具有与电子相反的电荷——正电荷。如果一个正能量电子发现其中一个空穴，它就会落入其中，这导致两者都被消灭，并释放出它们质量中的所有能量。
　　当然，我们宇宙中有些东西的作用就像狄拉克海中的空穴一样，它被称为反物质，而狄拉克预言了它的存在。虽然狄拉克海并不存在，但这是量子场的第一次尝试。狄拉克的负能量解决方案描述的是反物质，而不是狄拉克海中的空穴。在1928年狄拉克写下方程仅仅几年后，正电子在宇宙射线中被发现。反物质的存在从根本上与狄拉克发明的这些奇怪的四分量电子联系在一起，这两个额外的分量对应于电子的反物质的上下自旋。
　　狄拉克在结合量子力学和狭义相对论方面的惊人洞察力揭示了我们宇宙的另一面——对反物质的预测，它也是发现量子场和量子场论以及发展粒子物理学标准模型的关键一步。