王涛
负能量粒子的历史
2024-10-15 09:38
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    当把量子力学和狭义相对论结合起来的时候,就会出现负能量的粒子。这个事情在当时让很多人都非常失望。薛定谔在构造他的波动力学的时候,首先用的就是狭义相对论的关系,后来才发现了非相对论的薛定谔方程。这个方程后来被克莱因和高登等人重新发现。

    如果有负能量解,当出现相互作用的时候,就会出现正能量解往负能量解跃迁的结果,和实际结果相违背。所以相对论量子力学最后就被放弃了。当研究量子场理论以后,这个负能量的粒子,被理解成为了延时间向后传播的反粒子,这使得理论体系成为自洽的,但是也导致出现了无穷大。

    这个事情本身非常有意思,正是为了克服这个无穷大,才出现了弦理论。可以说,这个无穷大,是过去几十年理论物理发展的一个主要出发点。当然,这也是重整化技术的起源。在这里,我们就看到,构造理论物理体系出现了内在的困境,这也导致我们到现在也没有量子引力理论。

    当这个负能量粒子出现的时候,引起了极大的困惑,也尝试了去解决它,但是没有成功。后来把它和反粒子联系在了一起,的确获得了巨大的成功,但是很显然只是部分的解决了问题。按照逻辑上来说,虚粒子产生的影响肯定是很小的,不可能产生无穷大。在数学上,先出现无穷大,再移除无穷大,肯定是有问题的。在这个事情上,我们知道狄拉克非常反对,但是没有什么用。

    我们甚至理解上也变了过来,没有负能量粒子,只有反粒子。出现的原因是,能量的量子涨落,可以短时间内借来更多的能量,只要满足不确定性原理,就可以还回去,符合量子力学。但是量子力学从来都有多个角度,我相信我们没有把这个事情都想清楚。

    我们缺少一个原理的东西。就是现实的世界不允许负能量粒子的存在,但是量子力学中是可以出现这种正能量和负能量的虚粒子对的存在的,但是不知道什么原因被抑制了。我们平常考虑稳定性的时候,用的是能量最低。但是对于负能量来说,就不是能量了,不知道是什么量,导致负能量的出现会导致真空不稳定,所以是不允许的。应该有一个理论,如果出现负能量的粒子,会让它跃迁到正能量的粒子上。但是我们没有构造出来。

    这个是理论物理的核心问题。

    所以量子场论的建立,也就是解释为反粒子,解决了负能量粒子的危机。但是代价是无穷大的出现。很显然的事实是,出现的是正能量和负能量的反粒子对,这肯定会对实际的粒子产生影响,但是影响很小,但是我们无法构造理论。我们只能构造一个粒子和反粒子的理论,本质上是增加一个两倍光子的能量,虽然理论构造出来了,但是无穷大出现了。

    所以很多人也根本不相信会出现负能量粒子。

    当霍金提出霍金辐射的时候,才让人如此大惊失色,因为负能量的粒子又出现了。这回不仅被证实是存在的,而且还能变成真实的粒子。虽然我们也可以变成正能量的粒子来解释,但是负能量的粒子的出现几乎是必然的,是存在的。

    在黑洞的视界处,由于里外的时空性质不一样,导致正能量的粒子和负能量的粒子分开,但是时空是稳定的,所以这是可能的。这个事情非常深刻,但是并没有引起足够的重视。因为我们可以换个角度看。

    这就是负能量的粒子的历史,若隐若现,似真似假,无法确定。这里的关键,就是我们没有一个理想的处理负能量粒子的理论,因为从量子力学的角度来说,这是不可能的。狭义相对论和量子力学不是不冲突的,只是这种冲突可以在量子场论中调和一下,但是代价是无穷大的出现。对于不能重整化的理论,我们也计算不了。

    狄拉克用了余生来解决这个问题,但是没有解决的了。

    似乎数学在这个事情上,已经彻底失效了。

    

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