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反物質(zhì)的夢(mèng)魘——直面世界終極鏡像

 渦漩 2016-01-01

  
   1928年,量子力學(xué)突飛猛進(jìn)的發(fā)展,已經(jīng)形成了一個(gè)繼牛頓力學(xué)、麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)和相對(duì)論之后更偉大的物理學(xué)理論框架。如果按照研究的對(duì)象近似劃分,牛頓力學(xué)對(duì)應(yīng)宏觀低速世界;狹義相對(duì)論對(duì)應(yīng)宏觀高速世界;量子力學(xué)是微觀低速世界,那么沿著這條路走下去,對(duì)應(yīng)微觀高速世界的理論才能夠恰如其分地反映物質(zhì)世界的本質(zhì),在那個(gè)年代,一種強(qiáng)烈的探索欲促使著物理學(xué)家們嘗試將薛定諤方程納入狹義相對(duì)論的四維洛侖茲變換。
   偉大的物理學(xué)家保羅·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)正是在這一年靈光一現(xiàn)寫下了著名的狄拉克方程。在此之前,曾經(jīng)有一個(gè)直接將薛定諤方程套用洛侖茲變換四維矢量的克來因—高登方程,同時(shí)泡利也提出了一個(gè)類似的方程,然而它們解釋諸多電子現(xiàn)象(例如自旋)的時(shí)候存在不可克服的困難,而狄拉克方程的出現(xiàn),給了相對(duì)論框架下一個(gè)比較另人滿意的電子波函數(shù)演化方程。在這個(gè)方程中,電子的1/2自旋成為了必然的相對(duì)論要求。
  如此成功的一個(gè)方程,卻逃避不了這樣一個(gè)事實(shí):“負(fù)能解”。狄拉克方程中電子波函數(shù)存在解的一個(gè)必要條件是E^2=p^2c^2+m^2c^4,也就是說,E=±(p^2c^2+m^2c^4)^1/2。我們知道,自然界能量都是正的,那么另一個(gè)負(fù)能量解意味著什么?反物質(zhì)的出現(xiàn)帶給了量子力學(xué)一個(gè)“夢(mèng)魘”。
   狄拉克挺身而出,在1930年發(fā)表的論文中提出了“正電子”的概念,負(fù)能量解意味著與電子電荷相反的粒子存在,即反粒子。
  
  E>0 ●電子
   ↑
  E=0 ———————↑——————————
   --------------↑--------------------
  E<0 --------------○空穴---------------- 負(fù)能量海
   ------------------------------------
  
  如圖,在狄拉克的解釋中,E=±(p^2c^2+m^2c^4)^1/2代表世界存在正的能級(jí)和負(fù)的能級(jí)。由于泡利不相容原理,世界的負(fù)能級(jí)全部被電子所填滿,即整個(gè)世界的背景是一個(gè)充滿負(fù)能級(jí)電子的“負(fù)能量海”。余下的電子分布在正能級(jí)區(qū)域。當(dāng)負(fù)能量海中一個(gè)電子吸收了2mc^2能量的光子后,便躍遷到正能量區(qū)域,成為一個(gè)質(zhì)量為m的電子,同時(shí)在負(fù)能量海中留下了一個(gè)“空穴”。這個(gè)“空穴”在負(fù)電的負(fù)能量海海中自然能顯示出正電荷及正能量的特性,并且會(huì)同一個(gè)質(zhì)量為m的電子復(fù)合,放出2mc^2能量的光子。
   起初人們對(duì)狄拉克的解釋并沒有認(rèn)真對(duì)待,然而1932年美國(guó)物理學(xué)家安德森(Carl David Anderson)在宇宙線實(shí)驗(yàn)中觀察到高能光子穿過重原子核附近時(shí),可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)量與電子相同但帶有的是單位正電荷的粒子,從而發(fā)現(xiàn)了正電子。狄拉克一夜之間聲名顯赫,反粒子的發(fā)現(xiàn)成為了他終生最大成就之一。狄拉克甚至猜想在宇宙的其他地方存在一個(gè)全部由反粒子構(gòu)成的反物質(zhì)世界。
  在之后的歲月里,隨著各種帶電基本粒子的發(fā)現(xiàn),它們的反粒子也陸續(xù)出現(xiàn)。對(duì)于自旋為半整數(shù)背的費(fèi)米子,由于泡利不相容原理存在,負(fù)能量海的解釋勉強(qiáng)說得過去。然而對(duì)于自旋為整數(shù)倍的玻色子來說,由于不遵守泡利不相容原理,負(fù)能量海存在就以為著所有的玻色子都要無限制地低跌入負(fù)能級(jí)之中,這顯然是十分荒唐的結(jié)論。
  狄拉克的解釋遇到了前所未有的困難,然而科學(xué)史上越是危機(jī)的時(shí)刻越是孕育著英雄的誕生,年輕的物理學(xué)天才理查德·費(fèi)曼出場(chǎng)了,作為20世紀(jì)紀(jì)后半頁最出色的物理學(xué)家,費(fèi)曼破天荒地提出了一個(gè)驚人的觀點(diǎn):根據(jù)時(shí)間和能量相對(duì)應(yīng)的關(guān)系,反粒子就是——“時(shí)間向后走的粒子!!!”或者可以說是逆著粒子的時(shí)間運(yùn)動(dòng)的粒子。
  反物質(zhì)的夢(mèng)魘——直面世界終極鏡像![轉(zhuǎn)]

按照費(fèi)曼的觀點(diǎn),圖中的曲線代表粒子在時(shí)空中行走的路徑。在t1時(shí)刻之前,粒子沿著時(shí)間方向運(yùn)動(dòng);t1時(shí)刻,質(zhì)量為m的粒子受到散射(發(fā)射出能量2mc^2的光子),開始逆著時(shí)間流逝的方向走。走回到t2時(shí)刻,粒子受到散射(吸收能量2mc^2的光子),開始順著時(shí)間方向走。
  那么從時(shí)間流逝的方向來看會(huì)發(fā)生什么?由于t2<t1,于是在t2時(shí)刻,能量為2mc^2的光子轉(zhuǎn)化為了一對(duì)粒子,其中一個(gè)向遠(yuǎn)方走去,另一個(gè)卻沿著x2到x1的時(shí)空路徑運(yùn)動(dòng)。t1時(shí)刻,這個(gè)粒子與來自(x0,t0)的粒子接觸并雙雙消失,留下能量為2mc^2的光子。
  這個(gè)過程正是正反粒子對(duì)產(chǎn)生與湮滅的過程,費(fèi)曼的解釋不但躲開了狄拉克惱人的負(fù)能量海,而且成功說明了正反粒子對(duì)為何具有相同質(zhì)量,并且必須成對(duì)出現(xiàn)的原因。
  費(fèi)曼獨(dú)創(chuàng)的路徑積分方法,是區(qū)別與海森堡矩陣力學(xué)和薛定諤波動(dòng)力學(xué)的量子力學(xué)第三種表述方式,也許比上兩種表述更接近于量子世界的本質(zhì)。路徑積分方法中起核心作用的傳播子,正能狀態(tài)沿時(shí)間運(yùn)動(dòng)的形式便等價(jià)于負(fù)能狀態(tài)逆時(shí)間運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上由費(fèi)曼和施溫格等人一起創(chuàng)立的量子電動(dòng)力學(xué)成為了量子場(chǎng)論最早而且最精確的理論,它所取得的巨大成就讓人不得不確信費(fèi)曼對(duì)反粒子解釋的合理性。
  
   費(fèi)曼的解釋雖然解決了反物質(zhì)是什么的問題,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束反物質(zhì)的夢(mèng)魘,它帶來了一系列更深層次更挑戰(zhàn)人類智慧極限的問題。
   1 按照費(fèi)曼的說法,在一個(gè)參考系中能看到某個(gè)粒子逆著時(shí)間運(yùn)動(dòng)代表著這個(gè)粒子波函數(shù)已經(jīng)跑到光錐之外,也就是說,它此時(shí)正是所謂超光速運(yùn)動(dòng)的“快子”。那么既然光子本身沒有時(shí)間流逝,是不是說在這個(gè)極限的兩側(cè),分別存在著時(shí)間流逝方向相反的粒子?所謂的“有靜質(zhì)量的粒子超光速”就是意味而此時(shí)速度恰恰和從前一樣,只是時(shí)間和空間的反號(hào)?
   2 粒子在CPT聯(lián)合變換下保持永遠(yuǎn)不變的對(duì)稱性,即一個(gè)粒子電荷C反號(hào)的話,同時(shí)宇稱P反號(hào)(空間反向),時(shí)間T也反演(時(shí)間逆流),那么它和變換之前是完全等同的狀態(tài)。目前人類對(duì)電荷的認(rèn)識(shí)只局限于它是一個(gè)守恒量,代表規(guī)范不變性。如果我們大膽設(shè)想一下,電荷反號(hào)就是代表著時(shí)間流逝和空間運(yùn)動(dòng)方向的相反,那么自然界中帶正電荷的基本粒子與帶負(fù)電荷的基本粒子有沒有可能時(shí)間流逝恰恰相反???而它們之間的質(zhì)量不對(duì)等,是不是決定了時(shí)間的宏觀流逝方向??
   3 如果時(shí)間如同空間的一個(gè)維度一樣,也是有著兩個(gè)方向的一維坐標(biāo),那么時(shí)間究竟是什么???
  
  我們?cè)诜次镔|(zhì)的夢(mèng)魘中還沒有醒來,但在夢(mèng)魘中正一步一步走向清醒。但毫無疑問,反物質(zhì)的出現(xiàn)已經(jīng)觸及了時(shí)間空間和萬物的本性,他是物質(zhì)世界的終極鏡像!也許夢(mèng)魘醒來之日,正是人類揭開時(shí)間空間和萬物本質(zhì)奧秘之時(shí),是人類找到終極統(tǒng)一理論的那一刻!

注:費(fèi)曼的解釋實(shí)際上給出了宇宙相對(duì)論效應(yīng)發(fā)生的機(jī)制,在自然界中,諧振腔是普遍存在的,比如細(xì)胞,器官,原子...都可以看成一個(gè)諧振腔.整個(gè)宇宙可以看成某種能量諧振腔,其中能量全部以遍及所有方向的全頻譜駐波形式存在,當(dāng)某一宏觀物體朝某一方向以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí),則相當(dāng)于于"如如不動(dòng)"之駐波串朝物體運(yùn)動(dòng)反方向運(yùn)動(dòng),這樣就體現(xiàn)出了向反方向運(yùn)動(dòng)的能量流(九宮串珠),這個(gè)能流提供了費(fèi)曼所謂的放能和吸能機(jī)制,在古太極研究中稱為"出蒙入鴻制入機(jī)"(機(jī)可以看成駐波),其直接效應(yīng)是造成正負(fù)物質(zhì)的互相繞旋而形成太極,因此古人隨即有言:太極鎖象定合旋——基本原理為正負(fù)質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)互相繞旋,當(dāng)繞旋至于與運(yùn)動(dòng)方向同方向時(shí),正質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)釋放2m.c.c的能量負(fù)向躍遷變?yōu)樨?fù)質(zhì)量質(zhì)點(diǎn),而負(fù)質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)吸收2m.c.c的能量正向躍遷變?yōu)檎|(zhì)量質(zhì)點(diǎn),繼續(xù)無窮繞旋而自成太極,其中繞旋過程中持續(xù)交換的2m.c.c能量是坐標(biāo)系加速過程中輸入的,一旦坐標(biāo)系勻速運(yùn)動(dòng)后則封閉于太極內(nèi)部而永不耗散,此外太極中正負(fù)質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)在各自繞旋過程中協(xié)同構(gòu)成了某種內(nèi)在振蕩,其維持這種振蕩的速度是可以超光速的,這也是相速存在的本質(zhì).當(dāng)然,任何物體都可以看成是無數(shù)基元太極構(gòu)成的,所有基元太極的角動(dòng)量方向和繞旋速度效應(yīng)彼此是有差別的,這導(dǎo)致它們分屬不同的八卦五行屬性,整體在宏觀物體層面呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)特性,表現(xiàn)為整個(gè)宏觀物體的整體屬性.當(dāng)宏觀物體朝某一方向運(yùn)動(dòng)時(shí),對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)速度,所有基元太極會(huì)在各自固有運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上微調(diào),組成一對(duì)應(yīng)太極,這個(gè)由于運(yùn)動(dòng)生成的新太極對(duì)應(yīng)的新增正負(fù)物質(zhì)繞旋的質(zhì)量的大小以及所有小基元太極受其約束和作用所造成的微調(diào)累積積分則體現(xiàn)為宏觀物體的相對(duì)論時(shí)空和質(zhì)量效應(yīng).也就是說運(yùn)動(dòng)造成了正負(fù)物質(zhì)繞旋的太極生成,太極陰陽兩魚對(duì)應(yīng)正負(fù)能量區(qū),雙S線對(duì)應(yīng)零能量區(qū),而其中出蒙入鴻的內(nèi)部能量流對(duì)應(yīng)其加速需要輸入的能量,也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)化為離相的繞旋質(zhì)量存儲(chǔ)著.實(shí)際上,如上所述,不同基元太極間類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣構(gòu)成了錯(cuò)綜復(fù)雜的多向聯(lián)系,其中記憶著大量的信息,通過對(duì)各基元太極的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行宏觀有序綜整,可以破譯出其中大量信息,同時(shí)也可解決各基元太極“八卦相錯(cuò)”的復(fù)雜狀態(tài),從無序運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜狀態(tài)轉(zhuǎn)為高度有序的簡(jiǎn)單狀態(tài),從而徹底明了宇宙以及萬事萬物存在的本質(zhì)結(jié)構(gòu)——太極。宏觀物體在移動(dòng)時(shí)其軌跡是量子化的(參考科學(xué)家對(duì)重力場(chǎng)中中子運(yùn)動(dòng)的研究),其軌跡在量子化跳步延伸過程中與其太極繞旋的頻率具有某種同步關(guān)系,這導(dǎo)致每一個(gè)調(diào)步過程中太極雙s線總是以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎駝?dòng)平衡位置----在一條直線上,這樣可以解決運(yùn)動(dòng)過程中正負(fù)能量的同步轉(zhuǎn)換問題.

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