03.02 一個負電子的能量和一個正電子的能量相等嗎?

科學探秘頻道


答:在運動狀態和所處環境一樣的情況下,能量肯定是相等的!


之所以要求狀態一樣,是因為狀態的不同,可能導致相對論質量的不同;其實可以確定地說——電子和正電子的靜止質量完全相同!



大物理學家狄拉克的一大貢獻,就是提出狄拉克方程,狄拉克根據方程的結果,預言了正電子的存在,多年後科學家在實驗中發現了正電子!


正電子和電子:

(1)在質量、自旋、磁矩和平均壽命的大小上,完全相同;

(2)在電荷、磁矩方向、自旋方向上,正好相反;

所以相同運動狀態下,它們攜帶的能量,肯定是相等的呢!



如果正電子和電子相遇,會發生湮滅;正電子還可以和反質子組成反氫原子!


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艾伯史密斯


正電子的能量是負的,這一點不能用愛因斯坦質量-能量-速度關係式給出!原因是正電子來自於狹義相對論量子化,因此我們需要從狹義相對論量子理論來考慮正電子的能量。由於量子力學體系下速度不作為動力學變量,所以愛因斯坦的質量-能量-速度關係式並沒有量子力學意義!故該方程不能給出正電子的能量。我們要從可以被量子力學體系接受的狹義相對論關係式來考慮正電子的能量。這個關係式是質量-能量-動量關係式。由於動量是量子力學體系的動力學變量,所以可以從該關係式來考慮正電子能量。

我們知道,負電子的能量是正的,且滿足

那麼問題來了,該方程會給出能量的負數解,這個解有何物理意義?英國物理學家保羅·狄拉克認為負能解對應的就是正電子!

但凡學過量子場論就知道,正電子的波函數和負電子波函數是不同的。尤其是相位的差異十分明顯。這種差異就是來自於反物質的能量是負數。因此這些物質的波函數相位在時間部分上要和正物質波函數相位相同位置上差一個負號!另外,從費曼圖上也能看出,正物質沿著費曼圖箭頭方向運動,但是反物質卻逆著費曼圖箭頭方向運動。這裡面有兩種理解:一是引入負能量來解釋反物質的這種特殊性;另一種是堅持正能量,但是要求反物質是逆著時間箭頭運動的。對於物理學來說,我們不相信後一種解釋。當年費恩曼的老師惠勒提出了一個猜想(後來被人誤解為是費恩曼提出的):反物質其實是從未來向過去運動的正物質。這個猜想會導致十分嚴重的問題,以致於費恩曼和惠勒在不久之後就否定了這一猜想。

因此,我們只能認為反物質的能量是負的。故,正電子的能量不等於同等速度下的負電子的能量,而是等於其相反數!


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