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第11章

用上一章讨论的波粒二象性,包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子来描述。这些粒子有一种称为自旋的性质。自旋可以设想成绕着一个轴自转的小陀螺。但这可能会引起误会,因为量子力学告诉我们,粒子并没有任何很好定义的轴。粒子的自旋真正告诉我们的是,从不同的方向看粒子是什么样子的。一个自旋为0的粒子像一个圆点:从任何方向看都一样(图-a)。而自旋为1的粒子像一个箭头:从不同方向看是不同的(图-b)。只有把当它转过完全的一圈(360°)时,这粒子才显得是一样。自旋为2的粒子像个双头的箭头(图-c):只要转过半圈(180°),看起来便是一样的了。类似地,更高自旋的粒子在旋转了整圈的更小的部分后,看起来便是一样的。所有这一切都是这样的直截了当,但惊人的事实是,有些粒子转过一圈后,仍然显得不同,你必须使其转两整圈!这样的粒子具有1/2的自旋。

宇宙间所有已知的粒子可以分成两组:组成宇宙中的物质的自旋为1/2的粒子;在物质粒子之间引起力的自旋为0、1和2的粒子。物质粒子服从所谓的泡利不相容原理。这是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现的,他并因此获得1945年的诺贝尔奖。他是个模范的理论物理学家,有人这样说,他的存在甚至会使同一城市里的实验出毛病!泡利不相容原理是说,两个类似的粒子不能存在于同一个态中,即是说,在不确定性原理给出的限制内,它们不能同时具有相同的位置和速度。不相容原理是非常关键的,因为它解释了为何物质粒子在自旋为0、1和2的粒子产生的力的影响下不会坍缩成密度非常之高的状态的原因:如果物质粒子几乎在相同位置,则它们必须有不同的速度,这意味着它们不会长时间存在于同一处。如果世界创生时不相容原理不起作用,夸克将不会形成不相连的、很好定义的质子和中子,进而这些也不可能和电子形成不相连的、很好定义的原子。所有它们都会坍缩形成大致均匀的稠密的“汤”。

直到保尔·狄拉克在1928年提出一个理论,人们才对电子和其他自旋1/2的粒子有了相当的理解。狄拉克后来被选为剑桥的卢卡逊数学教授(牛顿曾经担任这一教授位置,目前我担任此一位置)。狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相对论相一致的理论。它在数学上解释了为何电子具有1/2的自旋,也即为什么将其转一整圈不能、而转两整圈才能使它显得和原先一样。它并且预言了电子必须有它的配偶——反电子或正电子。1932年正电子的发现证实了狄拉克的理论,他因此获得了1933年的诺贝尔物理奖。现在我们知道,任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。(对于携带力的粒子,反粒子即为其自身。)也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而,如果你遇到了反你,注意不要握手!否则,你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。为何我们周围的粒子比反粒子多得多?这是一个极端重要的问题,我将会在本章的后部分回到这问题上来。

在量子力学中,所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1或2的粒子承担。物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子,由于发射粒子所引起的反弹,改变了物质粒子的速度。携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞从而被吸收。这碰撞改变了第二个粒子的速度,正如同两个物质粒子之间存在过一个力。

携带力的粒子不服从泡利不相容原理,这是它的一个重要的性质。

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