狄拉克方程式就是描述电子一正电子场的波动方程
http://www.eywedu.com/henanshehuikexue/hnsh2007/hnsh20070217-2.html
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充实的真空观：量子场的实在论与生成辩证法
作者：桂起权 宋 伟
统计法。同时，他首次提出和应用了真空概念(请注意，那是“光子真空”，而不是“电子真空”)。
笔者觉得，对于科学哲学、科学逻辑特别有意义的，正是狄拉克所提出的富有哲理性的“虚光子”的概念。与此相关的是虚光子与实光子之间的相互转化、不可观察量向可观察量的转化、潜在状态向实在状态的转化、基态和激发态之间的相互转化、光子从辐射场中产生和湮没。更加一般的，是场的激发与退激发、粒子从场中的生成和湮没，即场与粒子的相互转化，这是量子场论的最基本图像。其中也包含意义极其丰富的、活生生的生成辩证法思想，并且可以引出许多值得深思的问题。为什么要这样说呢?为了叙述方便起见，笔者想可以从潜在概念说起。笔者记得，1991年笔者与张掌然合著并出版了一本书，叫做《人与自然的对话——观察与实验》，笔者把它送给王福山先生。笔者在书上使用了海森伯的“潜在”概念，并且提到光子在电子壳层中或者在穿过“双缝”时只是潜在地存在着的。王先生看过以后问笔者，你那个“潜在”概念只是一个哲学上的说法，它的物理意义究竟是什么，并不是很明确的，这是很难解释清楚的。当时笔者确实不知道如何回答是好，现在笔者想，借助于狄拉克的“虚光子”的实例，光子的“潜在性”概念就变得更加清清楚楚、明明白白，就变得更加容易理解了。
狄拉克在1927年的论文中，合乎情理地假定光量子也像电子一样存在最低能量状态——基态，在这里称作零态。有无数个光子都处在这种能量的最低状态，但是它们却是不可观察的，因此称作“虚光子”。当它们从零态跃迁到激发态，不可观察的虚光子就变成可以观察的实光子。从虚光子转变为实光子的过程，叫做创生或生成；从实光子转变为虚光子的过程，叫做湮没。这种关于量子世界的“粒子的生成和湮没”的生动的生成辩证法图像是由狄拉克首次提出的，我相信，自然辩证法研究者(无论是爱好“生成哲学”的还是爱好古代“元气自然观”的研究者)和辩证逻辑研究者，必定对此都会十分感兴趣。说起元气自然观，笔者想起早在青年时代就能背诵出的王船山《张子(正蒙)注》中的一段话：“太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散于太虚。”不过，当时根本没有想到它可以与粒子物理学联系起来。几年前，笔者注意到元气学说与量子场论的比较研究方面的论著，才明白过来。现在我们知道，“太虚”即虚空，而那无形无状、弥散而混沌之“气”或者“元气”，则相当于“场的原物质”。即使虚空也充满着场物质。聚一散过程则相当于虚转化为实、实又转化为虚，或者相当于生成—湮没的过程。当然，王夫之只是用思辨语言表达了一种尽管朴素但非常深刻的辩证法的思想而已，不过那仍然是相当不简单的。笔者非常赞赏万小龙的这一主张，即“元气”哲学与“生成哲学”两派学者应当握手言和，实现辩证的综合。至于说到粒子物理学的辩证逻辑，武谷三男在其《物理学方法论论文集》中早就说过：“我们了解到作为终极要素的实体——基本粒子本身也是相互流动地相互转化的。这件事完全变革了以前的物质观，显示了辩证逻辑的正确性。”
在科学哲学中，关于理论实体有没有实在性的问题，是实在论者和反实在论者长期争论不休的问题。我们可以假想一个案例，比如讨论“虚光子”的实在性。像范·弗拉森那样的建构经验论者，只是愿意承认经验上可以把握的性质，而决不愿意承认不可观察物的实在性。相反，科学实在论者不仅愿意承认可观察量的物理实在性，而且认为，不可观察性也不是绝对的，不可观察性可以在一定条件下转变为可观察性。他们相信，“理论名词”(例如电子、虚电子、虚光子)在真实的物理世界都是有指称的。
接着，我们来讨论“电子真空”，那是关于虚电子或者负能量电子的空间。1928年，狄拉克方程式曾经取得很大的成功，它所给出的氢原子能级结构与实验符合得相当好，方程的解又自然地导出了电子自旋。可是，最终还是出现了反常情况。这就是，这个方程式同时存在两个对称解：正能量解和负能量解。现在麻烦大了：假如有一个电子处在某个正能态上，那么小小扰动就能够使得它跃迁到负能态，并且释放能量，这个过程一直要进行下去，因为负能态分布能够延伸到负无穷大。如果真是这样，哪里还有什么稳定的电子可言!怎样才能制止这种无止境的跃迁呢?换句话说，如何使得狄拉克方程式所要求的“整个空间充满负能电子的图景”，与现实世界实际上的稳定性很好协调起来，就成为一个伤脑筋的难题。面对反常情况的压力，既要解释稳定性，又要维护狄拉克方程式的正确性(理论的核心原理是不可丢的，但是外围的辅助假说却是随时可以调整变形的)，狄拉克绞尽脑汁，万般无奈，他迫不得已才提出了“真空=电子的负能态全部被填满，而正能态倒还空着”的图像。在这里，拉卡托斯的纲领方法论要发挥作用了。既然系统的负能态已经完全填满，没有空缺可言，也就阻止了电子向着负能态的任何可能的“跃迁”，于是系统也就得到了稳定的最低能量状态。因为负能态的电子是不可观察的，所以称作“虚电子”。又因为在整个系统中实电子一个都不存在，所以有资格称作“真空”。这就是所谓的“电子真空”。电子真空图像这个辅助假说确实十分有用，它既保护了核心假说，又消解了反常情况。虽然这个假说在一开始带有特别设计的意味，它在直观上确实显得有点古怪，但是它很快就摆脱了特设性的嫌疑，因为它紧接着正确预言了正电子的存在，也就是通过了实验检验。
值得指出的是，“电子场真空”相对于“电磁场真空”有其特异性，因此在电子场中场与粒子的相互转化过程、粒子的生成一湮没过程也就有与电磁场十分不同的特点。我们知道，麦克斯韦的经典电磁场理论只是一种连续的波动性理论。然而，电磁场理论应当是量子化的，光子就是场量子。借助于狄拉克的量子真空图像，使用基态／激发态、激发／退激发、虚光子／实光子等概念，量子化的电磁场理论可以合理地解释光子的存在、生成和消失。
现在，转向电子场的讨论。电子场的量子化要比电磁场更加复杂些，尤其是我们所关注的电子的产生和消失的过程和光子的情况大不一样。初看起来，把电子看做电子场所激发的量子，与把光子看做电磁场所激发的量子，没有太大的区别。问题在于，光子是中性的，电荷守恒定律对于它并没有直接影响。然而，电子是带电的，电荷守恒定律对于它的限制可大了。因此，单个电子是不可以凭空产生和消失的，除非有相应的反粒子的配对的同时出现，否则就会违反守恒定律。换句话说，只有正反粒子的同时参与，电子的产生和消失的相关过程才是可能的。
前文已经提到，狄拉克方程式既有正能量解又有负能量解，对此做进一步的分析的结果，导致正电子的发现。在这开创性工作的基础上，量子电动力学干脆从一开始就认定，狄拉克方程式就是描述电子一正电子场的波动方程，正反两个粒子一起引进。电子场只是电子一正电子场的缩写或者简称而已。电子场量子化之后，自然得到电子和正电子，这两个粒子同时都是电子场的量子。电子场是兼有波动一粒子二象性的物质客体。不仅电子场是物理实在，而且电子场的基态也是客观存在的。“真空不空”，电子真空就是基态的电子场。于是，狄拉克在初创阶段只是当做特设性假说提出来的“真空=负能级填满了电子、正能级都空着的空间概念，即电子真空图像，现在作为电子场的基态，就成为自然而然的事情”。有了正负电子场和电磁场量子化的概念，基本粒子相互作用的过程，如电子与光子、电子与电子、电子与正电子的碰撞过程，都可以归结为这些粒子的生成(场的激发)、消失(场的退激发)和相互转化(一种场的激发转化为另外一种场的激发)的过程。在这里，武谷三男所说的关于“基本粒子流动地相互转化”的自然界的辩证法和理性思维的辩证逻辑又都在发挥作用了。笔者曾经在《2005：辩证逻辑正在向深度和广度拓进》一文中说到辩证逻辑研究在方方面面的进展，当时由于篇幅限制，唯独省略了物理学哲学方面，今天算是做了一个补充。
总之，狄拉克的量子真空理论首次在量子物理学范围内提出了一个真空模型，它为物理学家的科学共同体提供了一个范例，建立了一个范式，从此以后人们可以一步一步地推广到粒子物理学的其他方面去。在这种量子模型中，真空仍然是一种“没有实粒子存在的空间”，在这一点上它继承了经典真空的性质。然而，在另一方面它却又断然否定了“真空：空无一物的空间”的经典概念，因为在电子真空中充满着负能量电子，即虚电子。于是，亚里士多德的“虚空不可能”和笛卡儿的“充实空间”的思想再次复活。
责任编辑 吕学文
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充实的真空观：量子场的实在论与生成辩证法
作者：桂起权 宋 伟
统计法。同时，他首次提出和应用了真空概念(请注意，那是“光子真空”，而不是“电子真空”)。
笔者觉得，对于科学哲学、科学逻辑特别有意义的，正是狄拉克所提出的富有哲理性的“虚光子”的概念。与此相关的是虚光子与实光子之间的相互转化、不可观察量向可观察量的转化、潜在状态向实在状态的转化、基态和激发态之间的相互转化、光子从辐射场中产生和湮没。更加一般的，是场的激发与退激发、粒子从场中的生成和湮没，即场与粒子的相互转化，这是量子场论的最基本图像。其中也包含意义极其丰富的、活生生的生成辩证法思想，并且可以引出许多值得深思的问题。为什么要这样说呢?为了叙述方便起见，笔者想可以从潜在概念说起。笔者记得，1991年笔者与张掌然合著并出版了一本书，叫做《人与自然的对话——观察与实验》，笔者把它送给王福山先生。笔者在书上使用了海森伯的“潜在”概念，并且提到光子在电子壳层中或者在穿过“双缝”时只是潜在地存在着的。王先生看过以后问笔者，你那个“潜在”概念只是一个哲学上的说法，它的物理意义究竟是什么，并不是很明确的，这是很难解释清楚的。当时笔者确实不知道如何回答是好，现在笔者想，借助于狄拉克的“虚光子”的实例，光子的“潜在性”概念就变得更加清清楚楚、明明白白，就变得更加容易理解了。
狄拉克在1927年的论文中，合乎情理地假定光量子也像电子一样存在最低能量状态——基态，在这里称作零态。有无数个光子都处在这种能量的最低状态，但是它们却是不可观察的，因此称作“虚光子”。当它们从零态跃迁到激发态，不可观察的虚光子就变成可以观察的实光子。从虚光子转变为实光子的过程，叫做创生或生成；从实光子转变为虚光子的过程，叫做湮没。这种关于量子世界的“粒子的生成和湮没”的生动的生成辩证法图像是由狄拉克首次提出的，我相信，自然辩证法研究者(无论是爱好“生成哲学”的还是爱好古代“元气自然观”的研究者)和辩证逻辑研究者，必定对此都会十分感兴趣。说起元气自然观，笔者想起早在青年时代就能背诵出的王船山《张子(正蒙)注》中的一段话：“太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散于太虚。”不过，当时根本没有想到它可以与粒子物理学联系起来。几年前，笔者注意到元气学说与量子场论的比较研究方面的论著，才明白过来。现在我们知道，“太虚”即虚空，而那无形无状、弥散而混沌之“气”或者“元气”，则相当于“场的原物质”。即使虚空也充满着场物质。聚一散过程则相当于虚转化为实、实又转化为虚，或者相当于生成—湮没的过程。当然，王夫之只是用思辨语言表达了一种尽管朴素但非常深刻的辩证法的思想而已，不过那仍然是相当不简单的。笔者非常赞赏万小龙的这一主张，即“元气”哲学与“生成哲学”两派学者应当握手言和，实现辩证的综合。至于说到粒子物理学的辩证逻辑，武谷三男在其《物理学方法论论文集》中早就说过：“我们了解到作为终极要素的实体——基本粒子本身也是相互流动地相互转化的。这件事完全变革了以前的物质观，显示了辩证逻辑的正确性。”
在科学哲学中，关于理论实体有没有实在性的问题，是实在论者和反实在论者长期争论不休的问题。我们可以假想一个案例，比如讨论“虚光子”的实在性。像范·弗拉森那样的建构经验论者，只是愿意承认经验上可以把握的性质，而决不愿意承认不可观察物的实在性。相反，科学实在论者不仅愿意承认可观察量的物理实在性，而且认为，不可观察性也不是绝对的，不可观察性可以在一定条件下转变为可观察性。他们相信，“理论名词”(例如电子、虚电子、虚光子)在真实的物理世界都是有指称的。
接着，我们来讨论“电子真空”，那是关于虚电子或者负能量电子的空间。1928年，狄拉克方程式曾经取得很大的成功，它所给出的氢原子能级结构与实验符合得相当好，方程的解又自然地导出了电子自旋。可是，最终还是出现了反常情况。这就是，这个方程式同时存在两个对称解：正能量解和负能量解。现在麻烦大了：假如有一个电子处在某个正能态上，那么小小扰动就能够使得它跃迁到负能态，并且释放能量，这个过程一直要进行下去，因为负能态分布能够延伸到负无穷大。如果真是这样，哪里还有什么稳定的电子可言!怎样才能制止这种无止境的跃迁呢?换句话说，如何使得狄拉克方程式所要求的“整个空间充满负能电子的图景”，与现实世界实际上的稳定性很好协调起来，就成为一个伤脑筋的难题。面对反常情况的压力，既要解释稳定性，又要维护狄拉克方程式的正确性(理论的核心原理是不可丢的，但是外围的辅助假说却是随时可以调整变形的)，狄拉克绞尽脑汁，万般无奈，他迫不得已才提出了“真空=电子的负能态全部被填满，而正能态倒还空着”的图像。在这里，拉卡托斯的纲领方法论要发挥作用了。既然系统的负能态已经完全填满，没有空缺可言，也就阻止了电子向着负能态的任何可能的“跃迁”，于是系统也就得到了稳定的最低能量状态。因为负能态的电子是不可观察的，所以称作“虚电子”。又因为在整个系统中实电子一个都不存在，所以有资格称作“真空”。这就是所谓的“电子真空”。电子真空图像这个辅助假说确实十分有用，它既保护了核心假说，又消解了反常情况。虽然这个假说在一开始带有特别设计的意味，它在直观上确实显得有点古怪，但是它很快就摆脱了特设性的嫌疑，因为它紧接着正确预言了正电子的存在，也就是通过了实验检验。
值得指出的是，“电子场真空”相对于“电磁场真空”有其特异性，因此在电子场中场与粒子的相互转化过程、粒子的生成一湮没过程也就有与电磁场十分不同的特点。我们知道，麦克斯韦的经典电磁场理论只是一种连续的波动性理论。然而，电磁场理论应当是量子化的，光子就是场量子。借助于狄拉克的量子真空图像，使用基态／激发态、激发／退激发、虚光子／实光子等概念，量子化的电磁场理论可以合理地解释光子的存在、生成和消失。
现在，转向电子场的讨论。电子场的量子化要比电磁场更加复杂些，尤其是我们所关注的电子的产生和消失的过程和光子的情况大不一样。初看起来，把电子看做电子场所激发的量子，与把光子看做电磁场所激发的量子，没有太大的区别。问题在于，光子是中性的，电荷守恒定律对于它并没有直接影响。然而，电子是带电的，电荷守恒定律对于它的限制可大了。因此，单个电子是不可以凭空产生和消失的，除非有相应的反粒子的配对的同时出现，否则就会违反守恒定律。换句话说，只有正反粒子的同时参与，电子的产生和消失的相关过程才是可能的。
前文已经提到，狄拉克方程式既有正能量解又有负能量解，对此做进一步的分析的结果，导致正电子的发现。在这开创性工作的基础上，量子电动力学干脆从一开始就认定，狄拉克方程式就是描述电子一正电子场的波动方程，正反两个粒子一起引进。电子场只是电子一正电子场的缩写或者简称而已。电子场量子化之后，自然得到电子和正电子，这两个粒子同时都是电子场的量子。电子场是兼有波动一粒子二象性的物质客体。不仅电子场是物理实在，而且电子场的基态也是客观存在的。“真空不空”，电子真空就是基态的电子场。于是，狄拉克在初创阶段只是当做特设性假说提出来的“真空=负能级填满了电子、正能级都空着的空间概念，即电子真空图像，现在作为电子场的基态，就成为自然而然的事情”。有了正负电子场和电磁场量子化的概念，基本粒子相互作用的过程，如电子与光子、电子与电子、电子与正电子的碰撞过程，都可以归结为这些粒子的生成(场的激发)、消失(场的退激发)和相互转化(一种场的激发转化为另外一种场的激发)的过程。在这里，武谷三男所说的关于“基本粒子流动地相互转化”的自然界的辩证法和理性思维的辩证逻辑又都在发挥作用了。笔者曾经在《2005：辩证逻辑正在向深度和广度拓进》一文中说到辩证逻辑研究在方方面面的进展，当时由于篇幅限制，唯独省略了物理学哲学方面，今天算是做了一个补充。
总之，狄拉克的量子真空理论首次在量子物理学范围内提出了一个真空模型，它为物理学家的科学共同体提供了一个范例，建立了一个范式，从此以后人们可以一步一步地推广到粒子物理学的其他方面去。在这种量子模型中，真空仍然是一种“没有实粒子存在的空间”，在这一点上它继承了经典真空的性质。然而，在另一方面它却又断然否定了“真空：空无一物的空间”的经典概念，因为在电子真空中充满着负能量电子，即虚电子。于是，亚里士多德的“虚空不可能”和笛卡儿的“充实空间”的思想再次复活。
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