电子和质子

编者按

保罗·狄拉克是20世纪初最有建树的物理学家之一。1932年，他被聘任为剑桥大学的卢卡斯教授。他因提出能将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论统一起来的理论而获得了1933年的诺贝尔物理学奖。在发表于《皇家学会学报》的一篇论文中，狄拉克对他的理论所蕴含的一个推断进行了概述，《自然》的这篇文章报道的正是这些。狄拉克的方程预测出“具有负能量的电子”，即带正电荷的电子。狄拉克最初认为，这些被预测到的带正电荷的粒子的行为方式与质子类似，这篇报道再次复述了这一观点，但不久之后，这些粒子就被证明是组成反物质的“正电子”。　　英文

在1月的《皇家学会学报》上，狄拉克博士提出了正电子理论。他通过电子的相对论量子理论导出了一个波动方程，而这个波动方程包含相应于负能量的解（普通实验中电子的能量被认为是正的）。尽管将这种负能态与质子联系起来的尝试遇到了很多困难，但是，通过非常直接的论证可以预言正电子的存在。因为电子的稳定态是能量最低的态，所以伴随着发射辐射，所有电子都将落入负能态，但是这与泡利不相容原理不同，这一原理规定不可能有多于一个的电子处于任何一个相同的状态。然而，如果假设“世界上有非常多的电子以至于除了极少的负能态以外，几乎所有的负能态都被占据了”，那么可以推测，这些存在于负能态体系中的无数个电子将不会被探测到（若电子是均匀分布的），而仅有极少的“空穴”或遗漏的负能态可以很容易地被观察到。接下来他把这些“空穴”视为与质子相同的“具有正能量的物质”。密度无限大的负电的出现使普通电磁学理论遇到了困难。不过，当假定一般情况下必须通过“带电的正常状态”的偏离来测量体电荷时，便可以解决这个难题，所谓带电的正常状态是指“每一个具有负能量的电子态均被占据而没有一个正能态被占据的状态”。在这篇文章中，他并没有详细讨论质子质量比电子质量大这一问题，但是却提出了一种可能的解决思路。狄拉克博士的论文仅涉及少量数学分析，这就使任何一个学习过量子理论基本原理的人都能看懂这些数学分析的要点。　　英文

（王锋　翻译；李淼　审稿）