狄拉克意外揭开反物质世界

作者:小菜 更新时间:2024-12-24 点击数:
简介:8月23日报道 美国趣味科学网站8月6日刊登题为《最神奇的物理学方程式:保罗·狄拉克如何意外揭开反物质的奇异世界》的文章,作者是马库斯·乔恩。

主要内容如下: 英国理论物理学家保罗·狄拉克是量子物理学早期最重要的人物之一,他与埃尔温·薛定谔共同获得了1933年的诺贝尔物理学奖。

但早在1927年,他那冷静而聪明的头脑便开始寻找优美的数学计算,并

【菜科解读】

8月23日报道美国趣味科学网站8月6日刊登题为《最神奇的物理学方程式:保罗·狄拉克如何意外揭开反物质的奇异世界》的文章,作者是马库斯·乔恩。

主要内容如下:

狄拉克如何意外揭开反物质世界

英国理论物理学家保罗·狄拉克是量子物理学早期最重要的人物之一,他与埃尔温·薛定谔共同获得了1933年的诺贝尔物理学奖。

但早在1927年,他那冷静而聪明的头脑便开始寻找优美的数学计算,并在此过程中形成了他最伟大的成就之一——狄拉克方程式。

理论先驱

大自然选择了将构成它的基本物质的数量增加一倍。

对于每种亚原子粒子来说,都存在一种与之特性相反 比如相反电荷的反粒子。

但在1927年之前,从来没有人猜测过这样一个反物质世界的存在。

就在那一年,英国物理学家保罗·狄拉克写下了一个方程式,描述了接近光速的电子运动,并注意到其中包含了某种奇怪的东西。

狄拉克是量子理论的先驱之一,量子理论对原子及其构成的亚微观世界进行了革命性描述。

这一理论调和了20世纪上半叶各种实验所揭示的两种看似矛盾的世界特征:原子和类似的微观粒子,既有粒子属性又有波动属性。

1926年,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔用薛定谔方程概括了这一特性,这个方程描述了量子波在空间中的传播。

该方程的问题在于,它未能结合20世纪物理学的另一次革命。

爱因斯坦在1905年提出相对论时证明,当一个物体的速度接近光速时,时间和空间会发生奇怪的变化。

虽然薛定谔方程可以完美描述一个小原子中的电子——原子核里为数不多的质子的电场力,使其以远低于光速的速度运行,但在更重的原子中,原子核拥有大量质子,电子以接近宇宙速度极限的速度运动,这时,该方程就失效了。

这种情况需要一个包含相对论的方程——这就是狄拉克想要寻找的。

科学怪人

狄拉克是一个怪人,如果他生活在今天,很可能被诊断为自闭症。

他身材又高又瘦,让人不免联想到竹节虫。

他几乎每天都全身心地投入研究,但到了周日这天,他会在剑桥周边的乡下走很久,在这期间,他可能穿着西装领带去爬树。

他不善言辞。

有一次,一位学生在他的讲座上提问:狄拉克教授,我看不懂你黑板上写的方程式。

他回答,这是你的评论,不是一个问题,然后继续讲他的课。

狄拉克如何意外揭开反物质世界

狄拉克研究物理学的方法同他的性格一样独特。

其他物理学家试图在日常生活中寻找他们想要描述的现象,再尝试将其转化为数学式,但狄拉克直接拿起纸笔推算。

他说:我的一个独特之处就在于,我喜欢玩方程式,寻找可能根本没有物理学意义的美丽的数学关系。

但有时候,它们是存在物理学意义的。

1927年11月底,狄拉克在圣约翰学院那个简朴的房间里寻找优美的数学时,写出了后来的狄拉克方程式。

如今,它是伦敦威斯敏斯特教堂刻在石碑上的两个方程式之一,另一个是斯蒂芬·霍金的黑洞温度公式。

美国物理学家弗兰克·威尔切克说:在所有的物理学方程式中,最神奇的可能要数‘狄拉克方程式’。

它是最自由的发明,它最不受实验制约,有着最奇怪也最令人吃惊的结果。

狄拉克发现,用一个单纯的数字来描述相对论的电子特性 比如它的能量是不可能的,所以只能用一个2×2的矩阵。

这种二重性解释了电子的一个令人费解的特性。

实验表明,粒子在以顺时针或逆时针两种方式之一旋转。

然而,如果一个电子真的在旋转,它的行为只有在旋转速度超过光速时才能被理解,但爱因斯坦认为,电子旋转速度不可能超过光速。

物理学家被迫断定,电子的自旋是一种全新的东西。

它是一种内在的量子属性,在日常世界中找不到类比。

而狄拉克直接抛出了这个公式。

他说:我的方程式赋予了电子需要具备的特性。

这对我来说真的是意外收获,完全出乎意料。

美国物理学家约翰·哈斯布鲁克·范弗利克认为,狄拉克对电子自旋的解释堪比魔术师从帽子中变出兔子。

狄拉克如何意外揭开反物质世界

成就巨大

自旋很奇怪。

但是,狄拉克方程式所揭示出来的另一方面更奇怪。

当狄拉克写下他的方程式时,他注意到,它的结果似乎不仅描述了一个带负电的电子,还描述了一个质量相同的带正电子的粒子。

在当时,已知的亚原子粒子只有3个:原子核中的质子;围绕原子核运动的电子;光子,即光粒子。

似乎没有另一种粒子存在的必要。

就连当时的维尔纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利等伟大的物理学家都认为,狄拉克方程式一定是错的。

然而,狄拉克是对的,他们才是错的。

不久之后,在距剑桥8000公里的地方进行的一次实验,证明了这一点。

1932年,美国加州理工学院物理学家卡尔·安德森正在进行宇宙射线的研究,所谓的宇宙射线即来自太空的极高能粒子。

安德森预计,它们会撞向大气中的原子,把电子抛出去。

他推测,如果能测出这些被抛出的电子的能量,就可以算出宇宙射线的能量。

为此,他利用一个极强的磁场弯曲电子,推断如果它们的能量很高,而且移动速度很快,那么它们就几乎不会在磁场附近停留。

安德森通过一个云室让电子清晰可见。

1932年8月2日,安德森发现了一个被磁场弯曲方向与电子相反、但质量与电子相同的粒子。

他对狄拉克的预测一无所知。

尽管如此,他还是偶然发现了狄拉克预言的带正电的电子,他随即将这种粒子命名为正电子。

虚假记忆就是与真实记忆不一致自己骗自己

虚假记忆其实就是和真实记忆不一样,也是自己骗自己。

每一个人的记忆力都是有所不同,有的人在二三十岁应该还可以记着小时候四五岁的事情,甚至还可以将这些事情完完全全的讲述出来。

但是讲述出来的事情有可能和自己的真实经历有很大的出入,其实这也就是所谓的虚假记忆。

然而在生活中每个人都会拥有很大的虚假记忆,接下来详细了解一下。

虚假记忆是什么虚假记忆其实就是自己骗自己,和自己真实的记忆是不一样的。

虚假记忆已经引起了很多人的关注,很多人都会通过各种方式来研究虚假意义,然而有所谓的,专家就认为,大脑记忆当中自动形成了一种回忆,然而在生活中,每个人都有可能会出现虚假记忆这种情况。

有时候就会通过自己的叙述将事实扭曲,而且表述出来和自己真实经历一定有很大出入。

这也就是所谓的虚假记忆,这都是属于正常现象,每个人都会经历。

虚假记忆产生的原因其实曾经美国的相关人员就进行研究,针对于人的大脑进行了一系列的实验和猜测,之后就认为虚假记忆其实就是大脑当中负责记忆的一块区域,在短时间当中活动比较频繁,再加上活力很大,导致出现虚假记忆。

虚假记忆是正常现象很多人都觉得出现虚假记忆之后,是不是对自己的大脑就出现了问题,或者是自己身体某个部位发生了病变?但事实上并不是如此虚假,机遇在人体当中是很正常的现象也是很常见的,因为人的大脑记忆力是有限的,总是会莫名其妙的去遗忘一些东西。

然而在记忆的过程当中,总是会想起对自己有帮助或者是快乐的事情。

虽然有的人成年之后还会想起儿时的经历,但这些都只是模模糊糊的,并不能够完全的记忆下来。

土卫六有大气层有海洋还下雨,若移到宜居带中,会成为宜居星球吗

土卫六泰坦,Titan是土星的最大卫星,也是太阳系中第二大卫星,仅次于木卫三,而且土卫六也是太阳系中唯一拥有大气层的卫星,大气中也有云层,其表面甚至有甲烷等液体形成的海洋,而且上面也会下雨甲烷雨,天文学家认为土卫六是和原始地球最为相似的星球,那么如果把土卫六推向火星或者地球的轨道,也就是让它位于太阳系的宜居带中,它会成为第二个地球吗?想把一颗星球推离它的轨道,到达指定的位置,以现在人类的技术是做不到的。

不过科幻电影《流浪地球》中假设数百年后人类给地球装上了行星发动机,依靠它的强大推力将地球推离了太阳系,或许未来的人类可以利用这种技术改造太阳系,那么这样把土卫六推离轨道可以实现吗?土卫六这星球的质量虽然跟地球差很远,但它有着比地球更为浓厚的大气层,大气压是地球的1.5倍,在上面安装行星发动机的话,将会把它上面的空气吹跑一大部分,所以这个方法也不是很理想,除非将发动机建造得高达上百公里,而如此高的发动机又是难以想象的,其底部承受的压力非常巨大,金属也可能被压得融化掉,所以《流浪地球》中的方法对土卫六而言并不适用实际上对地球也不实用。

那么有什么办法可以移动土卫六吗?其实办法也不是没有,太阳系中有很多没有大气层的卫星和矮行星,在这样的星球上安装行星发动机,将其加速后从斜后方撞击正在前进中的土卫六,将其加速并推离土星引力,也有可能使它脱离土星轨道,但是这样的话却会大大破坏土卫六表面的现有环境,也不是很理想。

其实我们也不必这样讨论将土卫六移动到太阳系的宜居带,因为土卫六来到太阳的宜居带也不会变成宜居的生命星球,因为虽然土卫六有着浓厚的大气层,表面可能有甲烷等形成的海洋,但是它来到宜居带中,这一切都会发生变化。

首先,土卫六本身并没有磁场,他之所以会有浓厚的大气场,是因为土星的磁场在保护它,它的运行轨道大部分都位于土星的磁场范围中,而且土星本身就是一个气态星球,土卫六围绕土星运行,可以大量吸收土星的散逸气体,所以土卫六才会成为拥有浓厚大气层的卫星。

如果它来到太阳系的宜居带中,它就失去了土星磁场的保护,其大气层就会在高速的太阳风吹拂之下越来越少,最终很可能会成为一个没有大气层的星球。

在太阳系宜居带中,土卫六表面的温度要比在土星附近高得多,即便它像地球和火星这样处于自转状态,它的赤道附近温度也会有二三十摄氏度的高温,这样的话,它表面的甲烷等海洋也将会很快挥发掉。

那么在这之后,土卫六会变成一个火星那样的沙漠星球吗?还不会!因为土卫六还是一颗富水星球,它来到宜居带中之后,水冰会融化成水,而表面的大气层被吹拂掉之后,这些水和水冰都会变成水蒸气继续挥发,并从土卫六上逃逸出来,当这些水都逃逸掉之后,土卫六的质量将会小很多,因为土卫六上面含有大量的水,比我们地球上的水还要多很多。

所以这样一来,土卫6还是会成为一个干旱的沙漠星球,本身质量也会缩小很多,因为它的大气层,表面的甲烷液体海洋和水等都会消失,不过这个消失的过程会很漫长。

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