Dirac空穴理论的推广与暗物质

Dirac空穴理论的推广与暗物质124.115.34.* 1楼

下面是一个名叫毕光庆的中国学者为给出他的相对论量子力学方程的解的物理意义而提出的,请大家欣赏:
负能解首次出现在Dirac的相对论的电子论中，为了避免原子中的电子向负能态做辐射跃迁并级联下去而湮没，Dirac提出了空穴理论，成功地预见了电子的反粒子即正电子，他认为真空态就是所有负能电子能级都被填满、所有正能级都空着的态，但这很容易造成真空具有负能量和负电荷这样荒谬的误解，并且这个理论需要Pauli不相容原理的支持而不适用于自旋为零的粒子．实验证明，不仅电子，一切粒子都存在反粒子，让我们推广空穴理论使其更合理且适用于任意自旋的粒子．显然，假定真空的能量为零以及呈电中性才是自然的．相对论必然导致负能解和负质量，但在物理上从未观察到具有负质量的粒子，这说明处于负能量状态的粒子不能单独存在，只能跟另一个处于正能量状态的它的反粒子组成束缚态而存在，显然这种束缚态的总能量为零，它的体系质量也为零，对于一个观察者来
说，体系质量为零的任何体系当然观察不到物理效应，这就是粒子不存在的确切含义．任何一个粒子，只要认为它是有结构的，就是一个体系，并且处于束缚态，粒子的质量也就是体系质量．如果一个体系在物理上是不可观察的，原因只能是它的体系质量为零，当体系处于不同的能量状态时，它的体系质量也不同，真空的最自然含义，应当是粒子-反粒子偶所形成的束缚态在体系质量为零时的状态，换言之，真空态是粒子与反粒子所组成的双粒子体系的一个特殊能级，这个特殊能级的能量值为零，这意味着这时构成体系的双粒子中有一个处于负能态．真空态是电中性的，这决定了粒子与反粒子的电性必定是相反的．只要粒子-反粒子偶束缚态的体系质量为零，真空中的任一定点就可以容纳无数个这样的束缚态，无论涉及的是整数自旋的粒子还是半整数自旋的粒子．在遵守能量守恒定律和电荷守恒定律条件下，允许基本粒子在一定的条件下产生和湮灭就是很自然的．事实上，在Dirac的空穴理论中，当负能电子吸收能量变成正能电子后，在真空中留下的空穴被解释为正能反电子，那末，把真空直接看成负能电子与正能反电子组成的束缚态不是更自然吗？一个粒子的产生，也就是处于真空态的粒子－反粒子偶吸收能量跃迁到激发态，使其中处于负能态的那个粒子激发到正能量状态，于是，被负能态粒子屏蔽掉物理效应的正能态粒子也同时成为可观察的，在这个过程中需要吸收$Delta{E_n}=E_n-E_n^-=2E_n$的能量，即在产生静止质量为$m_0$的粒子的同时，伴随着还要产生静止质量同为$m_0$且电性相反的另一个粒子，这就是粒子与反粒子的成对产生．这种成对产生的两种粒子相遇时有可能以粒子与反粒子偶的形式再次形成束缚态，并跃迁到真空态，即还原为产生它们时吸收的能量子（如$gamma$光子），这就是粒子与反粒子的成对湮灭．真空态并不等于负能态，真空态是粒子与反粒子所组成的束缚态的最低能级，但并不是处于正能态的单粒子的一个允许能级，因此处于正能态的粒子并不会随便落入负能态，也不会单独落入真空态，且落入负能态需要放出$Delta{E_n}=E_n-E_n^-=2E_n$的能量，而粒子自身携带的能量只有$E_n$，不能提供$2E_n$的能量，因此不具备跃迁的条件，所以是稳定的，除非遇上它的反粒子，才能满足跃迁条件而双双落入真空态．

如果把这个理论应用于电子，真空态就是负能电子与正能反电子组成的束缚态；真空中的一个正能电子，必定会以静电力排斥真空态中的负能电子同时吸引正能反电子，使本来重合于空间的一个确定区域的负能电子与正能反电子产生相对移位，因此，它把近旁的真空极化了．同样，真空态也是负能反电子与正能电子组成的束缚态，一个正能反电子，必定会以静电力排斥真空态中的负能反电子同时吸引正能电子，因此，反电子也把近旁的真空极化了．

观察反常能级的表达式易见，在这种能级所表示的双粒子体系中，显然有一个粒子处于负能态．当$Z=1,;m_{01}=m_{02}$时，双粒子体系变成粒子偶素，由于负能态粒子对正能态粒子的屏蔽，这种粒子偶素是不可观测的；因此，粒子偶素的反常能级公式表示真空态的能量．但这个能量一般地并不为零，并且也是量子化的，称为伪真空态．能量为零只是真空态的一个允许能级，称为真真空态．伪真空的存在还反映在量子力学的测不准原理中，也得到了Casimir效应进一步证实，这恰好说明狭义相对论与量子论是协调的．我们应该明确，伪真空的存在并不意味着能量可以凭空产生，因为只有当真真空吸收了一定的能量后才能跃迁到伪真空态．较高能级的伪真空态可以随机地跃迁到较低能级的伪真空态或真真空态，并辐射出光子．辐射出的光子又会立即被另一点处的真真空所吸收使之跃迁到伪真空态，或者被能级较低的伪真空所吸收使之跃迁到能级较高的伪真空．这种随机地转瞬即逝的光子也许就是虚光子．我们可以设想在场源电荷周围空间存在大量这种虚光子．在空间的任意一个定点，虚光子的出现是随机的，并且转瞬即逝，然而从整体看，空间中的场能量密度应有确定的分布．距离场源越近则场能量密度越大，但场能量密度在全空间的积分应该是有限值．类似于电子云，我们可以把场源电荷周围空间的静电场想像成虚光子云，这种虚光子云可以看成场能量密度分布的直观表示．场能量来源于场源电荷，可以看成场源电荷能量的一部分，因此虚光子的能量归根


2007-10-3 11:17 回复
124.115.34.* 2楼

到底来源于场源电荷．两个场源电荷之间通过场传递能量，归结为通过虚光子传递能量，这就是带电物体之间的相互作用．虚光子就成为传递电磁力的场粒子．

在远离场源的自由空间，由于量子力学的测不准原理，虚光子仍会随机地产生和湮灭．伪真空态或反常能级所表示的粒子偶素除了不可观察以外，跟正常能级所表示的粒子偶素一样具有质量和能量．由于不断地随机释放和吸收虚光子，伪真空态的粒子偶素也会形成自身的无规则运动．与分子热运动不同，这种粒子偶素会随机地从真真空产生和湮灭为真真空态，而在产生后或者湮灭前一定处于热运动状态．于是，在宇宙空间的整体上会形成一个大致恒定且均匀的能量密度分布．这种能量由两部分组成，一部分为对应于虚光子的电磁场能量，另一部分是处于伪真空态的粒子偶素做无规则热运动的能量．后者表明真空是有温度的，这也许就是$3K$宇宙微波背景辐射的来源之一．

处于伪真空态的粒子偶素既然有质量，它们也许会吸引成团，成为宇宙空间暗物质的来源，虽然吸引成团的是少数．而大量转瞬即逝的虚光子也许是宇宙空间暗能量的来源，它们遍布整个宇宙．那末，为什么暗物质和暗能量的共同特点是它们既不发光也不吸收光呢？让我们来考察暗物质的能谱和虚光子的光谱．

虚光子的光谱可以由如下的能级公式来确定
[E_n=sqrt{2}m_{01}c^2sqrt{1-left(1+frac{alpha^2}{(n-sigma_j)^2}right)^{-1/2}}.]
作非相对论近似易得
[E_n=frac{alpha m_{01}c^2}{n},quad n=1,2ldots]
可见，这跟普通物质的能谱完全不同，因而普通物质辐射的实光子不能被暗物质所吸收．只有一种情形会引起暗物质吸收光子，那就是当光子的能量高得足够使暗物质变为普通物质时．因此，高能$gamma$光子照射暗物质会更容易产生正负电子对．反之，暗物质也不可能辐射实光子，只能辐射虚光子．由于虚光子无法观测，暗物质的特征谱线不能从实验观察到．
由于宇宙空间的暗物质温度很低，暗物质的密度不可能很高．因为如果它的密度很高，热运动就可能很剧烈，辐射光的谱线就不是分立的特征谱线，这意味着辐射出的光子不是虚光子，那它就不是暗的了．

2007-10-3 11:17 回复
124.115.34.* 3楼

这的确是极其大胆的构想!令人不寒而冽!只是公式是用tex写出的,一般人看不懂.并且作者的相对论量子力学研究的详情有待关注!

2007-10-3 11:26 回复
222.91.217.* 4楼

这篇贴子的"高能$gamma$光子照射暗物质会更容易产生正负电子对．"的预言似乎得到最近2009年2月高能物理所的毕晓军博士关于暗物质最新实验观测报告的证实,文章称观测到的高能正负电子对最有可能来自暗物质.这个观测表明,暗物质吸收高能gamma光子可以产生高能正负电子对,高能正负电子对也可以湮灭为暗物质同时放出高能gamma光子.文章对为什么观测不到高能反质子而奇怪,按照这个贴子就很好解释了,因为暗物质产生正负质子对需要gamma光子的能量太高了.