狄拉克和他的“量子电动力学” 07

（保罗·狄拉克-Paul Adrien Maurice Dirac）

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第三季第8篇

量子时代，在物理世界中是群英璀璨的时代，所谓乱世出英雄，因为在这个时代孕育了很多伟大的物理学家。最值得一提的是英雄人物总是一个接一个出现。

我们今天要谈的是保罗狄拉克，也就是提出“量子电动力学”的伟大人物。

我们现在了解物理一般不会只趋于单个事物背景来解读，让我们先看看狄拉克基于什么背景提出“量子电动力学”的。

当年薛定谔方程一出来，理论物理学家们马上面临两个问题。

一个是电动力学现在得改写了。因为麦克斯韦的旧理论里没有光子，还认为电子有一个明确的轨道，那个轨道还会辐射能量，这些明显都不管用了。

另一个问题是，薛定谔方程是个低能量方程，它不满足狭义相对论的时空观。

物理学家迫切需要把电动力学、薛定谔方程和狭义相对论统一起来，弄一个“量子电动力学”。

把这件事干成的主力人物，正是保罗·狄拉克。1928 年，也就是薛定谔方程刚刚发表两年之后，26 岁的狄拉克就把量子电动力学的关键理论给做出来了。

01 狄拉克解出了什么？

一个是 1931 年的时候，狄拉克发现他那个方程的解里面，除了寻常的、带负电的电子之外，还有一种质量和电子一样、但是带正电的东西，可以叫做“正电子”。强势的狄拉克说，既然我这个方程里有正电子，正电子就应该存在。

结果仅仅过了一年，美国的实验物理学家就发现了正电子。正电子也是人类所知道的第一种“反物质”。狄拉克据此拿到 1933 年诺贝尔物理奖。

这个世界为什么会有反物质存在？因为数学要求它们存在。

狄拉克方程解出的另一个新东西，叫做“自旋”。

02 什么是“自旋”

其实早在1922年，实验物理学家就已经发现了自旋。

这个实验是以发明者的名字命名的，叫“斯特恩-盖拉赫实验”。如下图所示 

把一束银原子从高温炉中射出，经过一个外加的磁场之后，打在屏幕上，变成了两束。而这很奇怪。

磁场为什么能偏转银原子的飞行路线呢？

虽然银原子是电中性的，但是它的最外层有一个“非配对”的电子，你可以把银原子想象成是一个单个电子绕着原子核旋转的东西。根据最简单的电磁学，电子的这个绕行，形成了一个小小的环绕电流，就把银原子变成了一个小小的磁铁。磁铁，当然会被外部的磁场影响。

但如果仅仅是这样，射线应该被偏转后，打在屏幕上应该是连续的一条短线才对 —— 为什么现在射线是被正好分成了两束，打在屏幕上是两个亮点呢？

唯一的解释是，电子在绕着原子核的旋转之外，自身还有一个别的什么旋转 —— 而它自身的旋转角动量是*量子化*的，只有“1/2”和“-1/2”两个取值，对应上下两束射线。我们把这个多出来的、电子自身的旋转，叫做“自旋”。

对于自旋的深入实验内容有点复杂，感兴趣的同学可以自行去查“自旋”的概念。这部分我们后期谈量子纠缠再叙述。

总结，这一节文章比较单一，大家只需要认识狄拉克以及他提及的物理概念即可。

声明：本文核心内容来自《万维钢精英日课》

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