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