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3、量子世界的奥秘:从狄拉克到多世界诠释

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张小明

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3、量子世界的奥秘:从狄拉克到多世界诠释

量子世界的奥秘:从狄拉克到多世界诠释

1. 保罗·狄拉克的天才贡献

英国物理学家保罗·狄拉克(1902 - 1984)是量子力学和量子电动力学发展的重要贡献者之一。他首次推导出方程预测了反物质的存在,反物质是与普通物质质量相同但电荷相反的物质。狄拉克的主要贡献如下:
-狄拉克方程:该方程对量子力学意义重大。一是它尝试将狭义相对论(时空坐标)融入薛定谔波函数,这是物理学的圣杯,即把相对论和量子力学统一成一个万物理论,但狄拉克方程未能完全实现这一壮举;二是它预测了当时未被怀疑和观测到的反物质的存在,多年后通过粒子对撞机实验得到证实。
-引入新数学对象:狄拉克方程引入了两个对物理学和量子场论至关重要的新数学对象:
-ak和β:它们是与泡利矩阵密切相关的4x4矩阵,被称为双旋量。泡利不相容原理引入了一个新的量子数来解释电子壳层簇,使用的是后来被称为电子自旋(或旋量)的2x2矩阵。
-四分量波函数ѱ:在任何给定点的评估都是一个双旋量,因此有四个分量。在物理上,它被解释为自旋向上的电子、自旋向下的电子、自旋向上的正电子和自旋向下的正电子的叠加。与泡利的双分量波函数和薛定谔的单复值波函数不同。
-空穴理论:狄拉克方程有负能量解,为解决这一问题,他提出了空穴理论。该理论假设真空是一个多体量子态,其中所有负能量电子本征态都被占据,这被称为狄拉克海。由于泡利不相容原理,额外的电子将被迫占据正能量本征态,正能量电子不能衰变为负能量本征态。狄拉克认为狄拉克海中可能存在未被占据的负能量本征

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