理论预言正电子

类比方法是一种逻辑推理方法。在几种逻辑推理方法中，类比方法是最富创造性的一种方法。逻辑推理的创造性同它的可靠性成反比，而类比方法的可靠性又最小，因为它是从特殊推论特殊。虽然如此，许多科学史上的重大发现由于应用类比方法却屡见不鲜。德国哲学家黑格尔说过：“类推的方法很应分地在经验科学里占很高的地位，而且科学家也曾依据这种推论方式获得很重要的成果。”实质上，类比在一定程度上就是依靠想象。20世纪30年代，基本粒子中的正电子的发现，就是英国科学家狄拉克充分运用类比方法，首先做出的预言，最后从实验获得证实的。

按照唯物主义的观点，物质是无限可分的。中国古语云：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”这就是说，一尺长的木棍，每天截掉一半，连续分割下去，永远也分割不完。分割到第10天，变成薄木片；分割到第30天，变成了纤维素分子；再分割下去，变成了原子，原子又可以分成原子核和围绕原子核运动的电子。原子核又是由带正电的质子和不带正电的中子构成的。这些电子、质子和中子是构成各类原子的更深一层粒子，称为基本粒子。其中，电子质量最小，它只有质子或中子质量的1/1840，电子带有一个单位的负电荷。我们所说的“正电子”也是一种基本粒子，但它的电荷和电子相反，带一个单位的正电，而质量和其他性质都和电子相同。就是这样一个小小的正电子，它比发现电子足足晚了30多年。

19世纪最后几年里，科学家一连做出了几项伟大发现：1895年，德国科学家伦琴发现了X射线；1896年，法国科学家贝克勒尔发现了铀元素会自动放出射线；1897年，英国物理学家汤姆逊发现了比原子还小的电子。大多数科学家因此而致力于研究和发现新元素、新粒子。20世纪初，爱因斯坦创立了广义相对论，这个伟大的发现，为20世纪物理学的发展开辟了光辉的前景，奠定了坚实的理论基础。量子力学也在这个时候诞生了。

1902年8月8日，狄拉克出生在英国。8月8日，对保守的英国人来说是个不吉利的日子，人们都不希望在这一天外出旅行，也不会选择这一天结婚，更不希望孩子在这一天出生。可是狄拉克偏偏在这一天降生，于是，封建传统观念浓厚的父母对这个孩子横竖看不上眼，兄弟姐妹也对他另眼相看，狄拉克从小就受到各种冷遇和歧视。但特殊的境遇反倒使狄拉克从小养成了一种倔强坚毅的性格。他在少年时代在数学和物理学方面表现出与众不同的天赋和才能。在1918年，狄拉克考入布里斯托尔大学学习土木工程，但他真正的兴趣是研究数学和物理学。毕业后，他又考入英国著名的剑桥大学所属的圣约翰学院，成为数学研究生。这是他一生的重大转折。在剑桥期间，他在数学、物理学方面都取得了令人瞩目的研究成果，成为英国科学界冉冉升起的一颗科学新星。1926年，他获得了哲学博士学位，1927年，他提出了电磁场二次量子化理论。这项研究成果，使他在1933年获得了诺贝尔物理学奖。

1928年，年轻的狄拉克运用类比方法，把爱因斯坦的相对论原理引入到量子力学之中，提出了一个新的量子力学方程式，称为狄拉克方程。他利用这个方程式来讨论电子的许多性质，结果都很好地与实验相符合。这些成就，促使人们相信狄拉克方程，是一个正确地描写了电子运动的相对论性量子力学方程。既然已经有实验证明了狄拉克方程的正确性，人们当然希望用它来预言新现象。但是，在解这个方程时却出现了一个奇怪的现象，即得到了正负对称的两个能量解，就是正能态和负能态的分布是完全对称的。正的能量对应着电子，那么负的能量对应着什么呢？人们只知道电荷有正电荷和负电荷具有对称性，既然存在带负电荷的电子，那么是否也存在带正电荷的电子呢？这是经典力学所不能解释的。因为物体所具有的能量绝不可能的负值，如果我们开始使用一个物质粒子处于正能态，则此粒子总是保持在正能态，它怎么可能处在负能态呢？这和我们常规的思想是不相容的。

科学家的高明之处就在于此。为了解释上述方程解，狄拉克运用了对称类比的方法，他认为对应负的能量的粒子可能是带有正电荷的电子。因此，狄拉克展开了一系列大胆的设想。他首先改变了“真空”的概念，依靠类比，他提出了真空就是被“负能电子海添满”的假说。按照传统的观点，所谓“真空”就是空虚无物的空间，狄拉克却认为物理学上的真空状态并不是一无所有的绝对真空，而是由负能电子所构成的“电子海洋”，这个负能电子海洋是被大量负能电子所填满的，因此，整个电子海洋所有能观察到的电荷、质量、动量等量都是零。这就是我们所说的真空状态。狄拉克的这种真空图像，是根据方程的解在头脑中构想出来的，目的是给负能问题以适当的解释。

狄拉克在电子海洋的基础上，沿着对称类比的思路继续张开想象力的翅膀。他想：既然全部添满负能电子海洋相当于真空，那么从电子海洋中挖出一个电子又相当于什么呢？那就会出现一个正能正电子和一个负能态的空穴。这就好像从一个完整的玉米棒上挖下一颗玉米粒以后留下的一个空隙。狄拉克认为，激发出来的正能态电子就是普通电子，它带一个单位的负电荷，而电子逸出之后留下的这个空穴，就表现为一个带正电荷的电子，即正电子。1930年，狄拉克在理论上预言了正电子的存在。1932年，美国物理学家安德森在宇宙射线实验研究中，发现高能量的宇宙射线穿过铅板时，它从铅原子中打出一束粒子，其中有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全相同，但它的弯曲方向恰恰相反，即这种粒子与正电子的质量相同，而电荷却相反，这正好就是狄拉克预言的正电子。人们从此以后才知道在实验室条件下，用一束高频辐射照射某些物质，有可能观察到电子的存在，而且正电子总是和普通电子成对地产生出来。狄拉克的预言被实验证实了。

科学史上有许多伟大的科学家都充分地运用了类比方法做出惊人的发现：美国物理学家富兰克林在观察天空的闪电时发现，闪电的性质和电的放射性具有相同的作用和现象，两者都发光，都是不规则的放射，都能引起易燃物燃烧等，从而推断出“闪电是电的放射”这一结论。为了验证这一结论，他于1752年夏季的一天，当雷声隆隆作响时，用风筝做了一次吸取闪电的实验，结果证实了他的推论，闪电和电一样具有放射性。

正电子的发现是人们第一次认识到的自然界中的一种反粒子，它显示了大自然的一种基本的对称性——正与反的对称性。以后发现各种基本粒子都有相应的反粒子存在，此乃普遍规律。正电子的发现也启发人们去寻找其他的反粒子。反粒子已经成为物理学中的一个最重要的基本概念。