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第3章 镜子啊墙上的镜子正电子（第8页）

通过假设负能量电子的汪洋大海来解决物质稳定性的难题，狄拉克成功地弥补了方程的首要问题。

然而，这样解释了之后，他又制造了另一个麻烦。

毫无疑问，这个巨大的负能量电子海洋的世界会导致各种后果。

例如，一个负能量的电子可能会被光子偶然击中，如果电子因此获得足够的能量，就会逃离“大海”

，变成一个正常的正能量电子。

这个世界上突然出现了一个正能量电子，就像兔子凭空从帽子里蹦出来一样，这种说法着实令人吃惊。

但是，当狄拉克按照他的推理得出合乎逻辑的结论时，他意识到了另一个问题：出逃的电子会在负能量电子的海洋中留下一个空穴。

狄拉克知道这样的实验：如果原子内部的电子受到高能X射线的激发，便会从原子中逃出，在原子中留下类似的空位。

值得注意的是，这个空穴的表现与一个带正电荷的电子的表现完全相同。

因此，狄拉克提出，当一个电子从负能量海洋中被激发出来时，所留下的空穴会表现得与带正电荷的粒子完全一样。

换句话说，一个高能光子产生的粒子不是一个，而是两个：一个电子加上一个带正电的电子镜像。

这个过程被称为电子偶的产生。

狄拉克没有足够的勇气假设一个全新的亚原子粒子的存在。

这个质量与电子相当，但电荷相反的粒子是他基于凭空变出来的一个数学公式假设的。

因此，他做出了更为谨慎的选择。

当时，已知的唯一带正电荷的亚原子粒子是质子。

所以狄拉克提出，电子带正电荷的镜像就是质子。

然而质子的质量大约是电子质量的2000倍，破坏了电子偶产生时的对称性，这一细节我们将留在以后讨论。

在当时，如果一种新的基本粒子在物理学家们看来是多余的，那么这种想法就会遭到强烈抵制。

狄拉克不愿参加这场战斗，所以他选择了回避。

根据狄拉克的朋友、俄国物理学家彼得·卡皮扎的说法，对于那个带正电荷的粒子就是质子这件事，狄拉克从未当真。

狄拉克之所以提出这个想法，只是不想面对其他物理学家的嘲笑：“狄拉克教授，你的反电子在哪里？”

事实上，质子永远不可能成为科学魔法预测的电子偶的有力候选者。

美国物理学家，也是后来领导制造原子弹的曼哈顿项目的罗伯特·奥本海默（RobertOppenheimer）指出，如果高能光子可以制造出电子和质子，那么质子和电子相互湮灭（annihilation）的逆过程也有可能发生。

这将导致物质变得非常不稳定。

原子只有在其质子不与游离电子碰撞的情况下才能存活，每时每刻，它们都极有可能在γ射线的闪光中消失。

尽管狄拉克对他的发现有十足的把握，但在很大程度上，正是由于奥本海默的表态，最终鼓励狄拉克把他已经知道的东西公之于众。

1931年5月，狄拉克又向皇家学会提交了一篇论文，讨论为什么电荷以离散或量子形式出现。

在论文中，狄拉克预测了“存在一种实验物理学还未观察到的、具有与电子相同质量和电荷的新粒子”

。

[41]他称之为反电子（aron），并且写道：“由于这种粒子与电子复合得非常迅速，我们不应期望在自然界中发现它们，但如果能在高真空环境下的实验中产生，这种粒子将相当稳定，并易于观察。”

1931年10月下旬，狄拉克在普林斯顿大学的一次演讲中更进一步阐明：“反电子不应被视为数学上虚构的粒子，应该有可能通过实验手段探测到。”

[42]

狄拉克想象两个高能光子碰撞会产生一个电子和一个反电子。

他对很快发现这一实验结果并不乐观，因为在可预见的未来，实验人员不太可能获得如此高能量的光子。

狄拉克一定知道，宇宙射线具有极高的能量，通常比放射性原子核喷射出的粒子高出数千倍，当它们撞击大气中的粒子时可能会产生反电子，但他似乎对此并没做出什么反应。

这可能是因为剑桥那些与狄拉克熟悉的实验物理学家们感觉宇宙射线不够有趣，不值得研究，并认为帕萨迪纳市的密立根是在浪费时间。

狄拉克写出了非常好的方程，并且勇于承认其现实意义，动机无非是一种使量子理论和狭义相对论在数学上保持一致的强烈愿望。