狄拉克的电子理论, 当光子的
能量大于正负电子对的静止质量时, 它通过物质时
就有可能产生一对正负电子。与辐射产生正负电子
对的过程密切相关的是它的逆过程, 即正电子通过
物质时, 正电子和负电子将成对湮灭, 结果发出一对
光子
爱因斯坦和狄拉克谁对20 世纪物理学发展贡献大
郁 忠 强
( 中国科学院高能物理研究所 北京 100039)
现代物理知识 2001 年
第6 期上的有两篇文章: 一篇
是关于英国杂志物理世界
最杰出的10 位物理学家排名
的报道, 爱因斯坦位居榜首,
而狄拉克排名第8; 另一篇是
王正行先生的文章! 狄拉克
获诺贝尔奖的经过∀, 该文介
绍了狄拉克在20 世纪20 年
代对物理学的贡献和30 年代
物理学界对狄拉克的评价。
读完这两篇文章后, 细细想
了一下爱因斯坦和狄拉克对
20 世纪物理学的贡献, 有一些话想说。
王正行先生的文章一开头就说: ! 20 世纪物理
学的第一位巨人当然是爱因斯坦。∀毫无疑问, 爱因
斯坦是20 世纪物理学的巨人, 他对20 世纪物理学
的贡献是革命性的, 影响是深远的。然而, 回顾20
世纪物理学的发展, 特别是20 世纪后半世纪物理学
的迅猛发展, 狄拉克的贡献
要比爱因斯坦的贡献大, 而
狄拉克仅排名第8。我想简
单介绍一下爱因斯坦和狄拉
克对物理学的主要贡献, 然
后作一些比较, 最后谈谈我
的一些想法。
科学巨星# # # 爱因斯坦
爱因斯坦对近代物理学
的主要贡献是1905 年提出的
相对论和1915 年创立的广义
相对论。爱因斯坦提出的相
对论主要根据两个基本原
理: 相对性原理和光速不变原理。相对论打破了人
们几千年以来所习惯的关于绝对空间和绝对时间的
概念。爱因斯坦第一次告诉我们, 世界是如此的复
杂, 空间和时间是不能完全分开的, 它们是统一在一
起的。他又指出物体的质量和能量是有关的, 给出
了著名的质能公式: E= mc2。在牛顿力学中, 时间、
击敌方信息系统; 纳米导弹可以以智能方式攻击敌
方飞机、导弹、火炮、坦克、军舰, 使传统称雄称霸的
威武壮观的航母战舰、飞机、坦克等败在! 微型军∀手
下, 届时将出现! 小吃大∀的战场奇观。
在经济上, 以纳米分子器件、微机电系统和专用
集成微型仪表为代表的纳米技术将获取巨额经济效
益, 它将促进21 世纪头10 年的经济大发展, 将形成
难以估量的庞大的高技术市场。其规模之大, 将超
过微电子芯片产业。美国政府早在1993 年就将! 微
米和纳米级制造∀ 列入国家关键技术, 1995 年又将
发展微机电系统和专用集成微型仪表技术用于制造
纳米卫星。目前纳米技术在光学、医学、半导体、信
息等领域的产品营销额已高达500 亿美元, 预计到
2010 年可高达14400 亿美元。
3. 纳米检测技术是纳米技术的! 制高点∀
要制造出性能优越的纳米器件, 必须搞清楚各
种纳米材料结构的力、光、电、磁和热性能, 研究纳米
空间内的化学反应过程、物理传输过程, 以及原子、
分子的排列、组装方式与奇异物质性能的关系。这
样才能在理论指导下, 发现新现象、新方法和新技
术。美、日、德、英都相继组建了纳米检测研究机构,
许多大学和研究所都建立了纳米技术研究中心, 例
如美国斯坦福大学、加州大学伯克利分校、康奈尔大
学、霍普金斯大学等都先后建立了纳米检测与表征
研究机构。许多国家不惜投入巨资, 研究纳米材料
新性能以及操纵排列组装原子的方法, 其目的是抢
占纳米技术制高点, 使之在未来竞争中夺取主动权。
对纳米技术的发展, 我们决不可以坐等观望。
我国已在纳米材料、微电机制造技术上取得了许多
成果。例如我国科学家最近用新方法、新工艺快速
合成大量高质碳纳米纤维和单壁碳纳米管, 在这个
方面一举跃上世界先进水平。特别是快速生成单壁
碳纳米管技术, 目前世界上仅有美、日等少数国家才
能生产。
14卷3 期(总81 期) ∃ 51 ∃
空间、质量、能量这些物理量是绝对的、独立的, 而在
爱因斯坦的狭义相对论中, 时间和空间统一起来了,
质量和能量统一起来了, 物质和运动统一起来了。
狭义相对论成了近代物理学的基础理论。1915 年
爱因斯坦创立了关于引力的新理论, 建立了广义相
对论。他告诉我们, 在物体的旁边, 空间和时间要被
扭曲, 他提出了3 个检验广义相对论的著名实验: 光
谱线的引力红移、太阳引起的光线偏折和水星轨道
近日点的反常进动。在以后的数十年, 这3 个预言
先后被实验所验证。广义相对论不仅得到了实验的
验证, 也在后来的实践中得到了不断的发展。它改
变了人们对于宇宙的认识。爱因斯坦的才智达到了
当代人们智慧的顶峰, 完成了开始于伽利略和牛顿
确定的时间、空间、能量和质量的完美的综合。他们
提出的狭义相对论和广义相对论在物理学史上完成
了一次革命, 和同时发展起来的量子论成了20 世纪
物理学的主要基石。
1919 年爱丁顿对日全蚀的观测证实了爱因斯
坦关于星光在掠过太阳表面时拐弯17 秒偏转角的
预言, 使爱因斯坦名声大震。全世界的报纸颂扬着
爱因斯坦和他的相对论, 不管是懂得相对论的人还
是不懂得相对论的人都狂热地崇拜着这位神秘的科
学巨星。荣誉像潮水般地不断向爱因斯坦涌来。爱
因斯坦收到了来自世界各地的请帖, 他一站接一站
地访问了荷兰、英国、法国、美国、日本、中国、巴勒斯
坦、西班牙%%总统的接见、科学家的宴会、记者的
访问, 到处都是欢迎的人群, 到处都是炽烈的情绪。
爱因斯坦的相对论具有无比的魅力和感召力, 人们
把它看做是人类智慧的骄傲。爱因斯坦谈的都是人
们日常生活遇到的时间、空间、光线%%, 也就是人
们所熟悉的概念, 但是由他所创立的相对论又是那
么深奥、发人深思、令人赞叹。爱因斯坦成了人们心
目中智慧的化身, 成了科学家的形象大使。
法国物理学家朗之万在1931 年称爱因斯坦现
在是, 将来仍然是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨
星, 他比牛顿更加伟大, 因为他对科学的贡献, 更深
刻地进入了人类思想基本概念的结构之中。
爱因斯坦获得了1921 年诺贝尔物理学奖, 量子
力学的奠基人玻恩、海森伯、德布罗意和薛定谔也相
继获得了诺贝尔物理学奖。很多物理学家认为20
世纪30 年代以后的物理学可以沿着相对论和量子
论所指引的方向发展下去, 延伸开去。人们对于周
围世界和日常生活所遇到的问题已经达到了如此深
刻而又如此精确的认识。似乎没有什么更多的物理
需要人们去挖掘了。
1928 年狄拉克发表了他的关于电子的相对论
性波动方程( 后称为狄拉克方程) 后, 在一段时间内
没有引起物理学界的重视。在以后的几十年里, 狄
拉克方程的重要性才逐渐被人们认识, 狄拉克对近
代物理学发展的贡献渐渐地显露出来。
标准模型的源头# # # 狄拉克方程
年轻的英国物理学家狄拉克于1928 年发表了
关于电子的相对论性理论# # # 狄拉克方程。他的理
论成功地解释了电子的自旋和氢能级的精细结构。
在他的方程中导入了一个4 分量的数学函数# # # 自
旋量。好像在我们日常生活中, 在时空环境下, 我们
需要有4 个轮子的小汽车才能在马路上行走, 而不
是像杂技演员那样的独轮车或两个轮子的自行车。
在解狄拉克方程时出现了两个解, 其中一个是电子
处于负能态的解。我们知道, 电子处于负能态是无
法理解的, 能量只能是正的。经过一段时间的思索,
狄拉克大胆地提出了解决负能态之谜的设想。他指
出带负电荷的粒子的负能态就是带正电荷的正能
态。这就是狄拉克预言的电子的反粒子# # # 正电
子。同时狄拉克的电子理论提供了正电子产生和湮
灭的理论方法。根据狄拉克的电子理论, 当光子的
能量大于正负电子对的静止质量时, 它通过物质时
就有可能产生一对正负电子。与辐射产生正负电子
对的过程密切相关的是它的逆过程, 即正电子通过
物质时, 正电子和负电子将成对湮灭, 结果发出一对
光子。
1932 年, 安德森等人在宇宙线中发现了正电
子, 在实验上证实了正电子的存在。正电子和电子
相比, 除了所带的电荷相反外, 它的其他性质和电子
相同, 我们称它为电子的反粒子。正电子的发现证
明了反粒子的存在。
实际上, 早在正电子发现之前, 人们已经提出过
疑问, 为什么质子带正电, 而没有相同质量带负电的
质子? 为什么电子带负电, 而没有相同质量带正电
的粒子? 为什么自然界在电荷符号的分配上有选择
性? 当时对这些问题无法回答。正电子的发现证明
了电子有反粒子, 那么其他的粒子, 如质子、中子等
是否也存在反粒子呢? 这在物理学上称做电荷的对
称性。如果这种对称性在自然界中是根本的, 人们
会很自然地进一步问: 有没有反原子? 有没有反原
子组成的反物质? 在宇宙空间是否存在反物质世
∃ 52 ∃ 现代物理知识
界? 正如狄拉克在1933 年12 月12 日接受诺贝尔
物理学奖时所说: ! 如果我们承认正、负电荷之间的
完全对称性是宇宙的根本规律, 那么, 地球上( 很可
能是整个太阳系) 负电子和正质子在数量上占优势
应当看做是一种偶然现象, 对于某些星球来说, 情况
可能是完全另一个样子, 这些星球可能主要是由正
电子和负质子构成的。事实上, 有可能是每种星球
各占一半, 这两种星球的光谱完全相同, 以致于目前
的天文学方法无法区分它们∀。这些问题当然是太
大了。要肯定地回答这些问题有待于今后多代人的
努力。
20 世纪后半世纪, 物理学得到了飞速的发展。
反质子、反中子、和反超子的发现, 正负电子对撞机
的发明, 能量越来越高的加速器的建造, 高能物理实
验和粒子物理理论取得了辉煌的成就。量子电动力
学被越来越精密的实验所验证, 关于强相互作用的
理论# # # 量子色动力学的建立, 和弱电统一理论的
确立, 最后形成了粒子理论的标准模型。该模型描
述了组成物质的基本粒子和他们之间的相互作用。
这一伟大成果的取得是全世界各大实验室几十年来
共同努力的结果。
可以说, 标准模型的源头是狄拉克方程, 没有狄
拉克方程, 没有粒子和反粒子的湮灭和产生的理论,
规范力的重整化将无法实现。我们就不能得到粒子
物理的标准模型。没有狄拉克所指出的粒子和反粒
子, 就不可能有正负电子对撞机, 就不可能有能量越
来越高的加速器, 也就不可能在世界上有如此规模
的粒子物理实验中心。也就不可能有近半个世纪一
个接一个的激动人心的新发现。
狄拉克在发表他的著名的方程时, 许多物理学
家, 包括他的老师、同事和他本人都没有认识到该方
程的深远意义。即使在狄拉克获得诺贝尔物理奖
时, 也不是所有的物理学家能认识到狄拉克方程潜
在的深远影响( 见王正行的文章) 。随着20 世纪后
半世纪物理学的进展, 有些物理学家才认识到, 狄拉
克对20 世纪近代科学的发展比爱因斯坦有更大的
贡献。
关于物理学家的排名
为什么爱因斯坦会被物理世界 选为第1 名,
而狄拉克仅排名第8? 众所周知, 爱因斯坦的声望
和在公众面前的知名度远远高于其他科学家。几十
年来, 爱因斯坦一直是, 今后仍然是全世界科学家的
代表和形象大使。这种情况在我们社会生活中是极
常见的。
从物理学的角度来考察, 爱因斯坦比狄拉克更
加著名, 被更多的人所敬仰也是可以理解的。从伽
利略、牛顿到爱因斯坦, 科学家们一直研究的是存在
于人们周围的世界。伽利略研究物体在斜面上的运
动, 牛顿告诉我们地球上物体运动的规律和天上的
星体的运动规律。爱因斯坦综合了时间、空间、能量
和质量的关系。他的理论仍然讲的是我们周围的世
界。他所提出的检验广义相对论的著名的3 个实
验, 都是发生在我们周围世界的真实。而狄拉克所
预言的反粒子和反物质在我们日常生活中却是! 不
存在∀的和! 无用∀的。在我们生活的地球上, 没有反
物质的矿藏, 在海洋最深的角落里或者在珠穆朗玛
峰的顶峰, 我们永远不可能发现一丁点儿反物质。
狄拉克预言正电子的时候, 许多科学家认为正
电子只是狄拉克的杜撰。当时看起来, 正电子和我
们所关心的周围世界的组成毫无关系, 它仅仅是一
个虚构的概念。即使安德森等人发现了正电子, 1/ 4
世纪后发现了反质子, 人们还不能透彻地理解狄拉
克所概括的奇特的世界, 这个世界确实和人们的日
常生活离得太远。
在随后的几十年里, 物理学家相继发现了越来
越多的基本粒子, 包括许多轻子、夸克和他们的反粒
子。人们将他们分类, 研究他们的性质、产生和湮
灭。逐渐认识到大部分基本粒子只能在实验室中产
生, 只能在巨大的加速器和对撞机的实验中产生。
20 世纪末, 实验上证明了目前只存在3 代基本粒子
的家族, 其中只有第一代的轻子和夸克才是组成我
们熟悉的周围物质世界的基本成分, 而第二代、第三
代的轻子、夸克和他们的反粒子是! 无用∀的。这些
! 无用∀的粒子比! 有用∀的粒子还多。对这些! 无用∀
的粒子的研究不仅使我们更深入地了解物质的组成
和4 种基本相互作用力, 而且将我们带入了一个人
类千百年来关心的问题# # # 宇宙的起源。也就是
说, 狄拉克为人们开启了一个全新的世界, 宇宙在大
爆炸( 发生在150 亿年或200 亿年以前) 以后没有多
久的世界。在那个时候, 宇宙是所有家族的粒子和
反粒子的一个完好的混合体。经过了很久很久以
后, 形成了今天的宇宙, 一个仅仅由第一家族的粒子
组成的世界。
科学家们在研究反物质和认识宇宙的历程中不
断地前进, 尽管这个进程很慢, 但还是在一步一步地
前进。1965 年著名的意大利物理学家捷基基( Anto14卷3 期(总81 期) ∃ 53 ∃
她用物理的情趣, 引我们科苑揽胜;
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箱现编部) 补订。1992 年合订本, 18 元; 1993 年合订本, 18 元; 1995 年合订本, 22 元; 1996 年合订本, 26 元;
1993 年增刊, 8 元; 1994 年增刊, 8 元; 1994 年附加增刊合订本, 36 元; 1996 年增刊, 15 元; 1997 年合订本, 30
元; 1998 年合订本, 32 元; 1999 的合订本已售完, 尚有1、4
、5
、6
期单行本, 每本3 元; 2000 年附加增刊合订本,
38 元; 2000 年增刊, 10 元; 2001 年合订本, 48 元; 2002 年每期7 元, 全年42 元; 微观绝唱 ( 诺贝尔奖百年
鉴 丛书之一, 江向东、黄艳华著, 卞毓麟、匡志强责任编辑, 上海科技教育出版社2001 年6 月出版) , 10 元。
以上所列, 均含邮资或免邮资。
mino Zichichi) 等人发现了反氘。1982 年CERN 建成
了低能反质子环LEAR, 可以将高能反质子贮存起
来, 并加以减速, 使发现反原子成为可能。1995 年
捷基基领导的一个由德国和意大利物理学家组成的
实验组在LEAR 上第一次成功地获得了9 个反氢原
子。1996 年美国费米实验室的科学家证实了这个
激动人心的结果。一般的氢原子是由一个电子围绕
着一个质子组成, 而反氢原子是由一个正电子围绕
一个反质子组成。反氢原子的生成给科学家们打开
了研究反物质性质的大门, 以便有可能检验最基本
的物理原理。
宇宙中是否还存留反物质? 显然我们不能在地
球上寻找, 因为地球有大气层包围。即使有来自宇
宙空间的反物质, 它也会在大气层中和物质碰撞而
湮灭。我们必须到大气层外去寻找。诺贝尔奖获得
者丁肇中教授领导的AMS 合作组就是要将一个探
测反物质的探测器送上国际空间站去寻找来自宇宙
空间的反物质。
狄拉克所预期的反粒子和反物质世界实在和我
们日常生活离得太遥远, 但也不是遥不可及。欣慰
的是在我们日常生活中已经有了一点点的应用。例
如在医院里每天都在应用的正电子发射层析技术
( PET) , 利用放射性核衰变产生的正电子对脑部进
行扫描, 正电子可以和脑中的电子湮灭, 产生一对相
反方向发出的光子, 记录和分析这些光子就可以给
出脑部的层析图像, 以便诊断有无脑病。
狄拉克的理论不仅影响了20 世纪后70 年的物
理学, 也将深刻地影响今后物理学和宇宙学的研究
和发展。
物理学家的成就都是建立在前人的基础上, 没
有牛顿的三大定律也就没有爱因斯坦的相对论, 没
有爱因斯坦的相对论也就没有狄拉克方程。按物理
学家的贡献大小排名次是很困难的。物理学家的排
名也并不重要, 重要的是我们要继承和发扬他们的
科学精神, 在他们的科学成就的基础上不断深化和
提高对自然界的认识, 为人类造福。
∃ 54 ∃ 现代物理知识
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