狄拉克引入了矩阵运算
一提到狄拉克方程的错误,很多搞物理的一定会不服气,狄拉克方程错在哪儿了?狄拉克方程是经过了实验验证的,狄拉克方程正确预言了正电子,预言了电子的自旋等等,更有甚者会追问,你楼主懂狄拉克方程吗?你楼主懂矩阵运算吗?种种质疑会接踵而来。
但是先别急,我后文慢慢解释。
在物理界,薛定谔方程被称为古典量子力学方程,狄拉克方程相对论性量子力学方程。这两者之间的差别在于,薛定谔方程是伽利略变换下的不变式,而狄拉克方程是洛仑兹变换下的不变式。
说到薛定谔方程与狄拉克方程,就不能不提到那个失败的克莱因-高登方程,同样也是满足洛仑兹协变的,在数学推导上无懈可击的克莱因-高登方程为何会在实验结果上谬之千里?原因就在于对量子力学与相对论本质的认识上。
从数学的角度去比较薛定谔方程与克莱因-高登方程,很容易就会看出差别在于动量-能量关系式中的能量的方次上,薛定谔方程中左边的能量是一次方项,而克莱因-高登方程左边的能量是二次方项。
狄拉克联想到,可能正是由于能量方次的差别,薛定谔方程虽然是伽利略协变方程式,但因为其能量项是一次方,所以与实验符合良好,而克莱因-高登方程虽然是洛仑兹协变式,但因为能量项是二次方,所以反而达不到预期的效果。
于是,狄拉克引入了矩阵运算,因为在代数运算中,对能量项(类似于数学中的A平方+B平方)再开平方,由于其不是完全平方式,与完全平方式相差一个2AB,所以无法直接通过开平方的方式将能量项从二次方降低为一次方。
但是,狄拉克知道,所谓的完全平方式,真正的形式应该是(A平方+AB+BA+B平方)也就是说,2AB的真正含义其实是(AB+BA),所以狄拉克就联想到矩阵代数,因为矩阵代数中,AB并不等于BA,如果能够找到一种矩阵,可以让AB+BA=0,那么前面的问题就都会迎刃而解。
这样的矩阵叫做厄米矩阵,于是,狄拉克找到了四个厄米矩阵,用它们作为动量-能量关系式中的系数,于是,经过一些数学推导,金光闪闪的狄拉克方程式出现了。
但是,这能证明狄拉克方程式就一定是正确的吗?毫无疑问,狄拉克方程的的确确是拼凑而来的,而且的的确确与一些实验符合的很好。那么,那四个厄米矩阵究竟隐含着什么秘密?为什么必须要通过厄米矩阵这一魔术手段,狄拉克方程才会焕发光彩?
还有,为什么薛定谔方程在单粒子,低速状态下精确到令人发指的地步?而一用到多粒子,高速状态下就不再那么精确了?为什么?不要想当然地告诉我那是因为没有考虑到相对论效应,我们那个失败的克莱因-高登方程同样是薛定谔根据洛仑兹协变关系推导出来的。
狄拉克方程同样有致命的缺点,那就是无法解释负能量,虽然他提出了狄拉克之海的假说,但这个假说其实同样是蹩脚的。
现在,我给大家解释一下这些问题产生的根源,那就是,我们的物理学家们既没有真正理解量子力学,又没有看清相对论的错误之处,所以才会导致现代物理迷雾重重。
我告诉大家,薛定谔方程并非像教科书上讲的那样,没有解释电子的自旋问题,实际上,电子的自旋问题已经隐含在薛定谔方程之中,只不过物理学家们缺乏对量子世界的正确理解,视而不见罢了
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