在物理學的世界中，真空不只是“什么都沒有”的空無。它其實是一個充滿了“潛能”的奇妙空間。讓我們跟隨迪拉克的步伐，走進這個被稱為“真空之穴”的神秘領域。

什么是真空？迪拉克的“負能量”大猜想

從古至今，大家對“真空”的理解都是：什么都沒有、完全的空白。但在20世紀初，偉大的物理學家保羅·迪拉克（Paul Dirac）提出了一個大膽的想法：真空不僅僅是“空”，而且可能是能量的最低狀態。那么這個最低能量狀態，真的就是“零”嗎？迪拉克認為：不！他甚至提出了一種讓人驚嘆的“負能態”概念。

根據相對論的公式，能量的平方與質量、動量之間存在一個奇妙的關系。它給出的結果中，能量可以為正值也可以為負值——這意味著理論上負能量可能存在！但我們從未真正見過負能量，因此迪拉克提出了一種設想：也許真空的最低能量狀態是所有“負能態”都被填滿的狀態，而“正能態”則空無一物。

負能量的“空穴”：正電子的發現

迪拉克的真空理論不僅美妙而且具有驚人的預見性！他設想，如果我們能“打擊”真空，可能會讓負能量的粒子跳入正能態，這會在負能態留下一個“空穴”。而這個空穴就是一種奇妙的“反粒子”——它和電子的質量相同，但電荷卻相反，于是“正電子”這一新概念被提了出來。

這種“真空中打出反粒子”的設想在幾年后被實驗證實。1932年，美國物理學家卡爾·安德遜（Carl Anderson）通過實驗發現了正電子，并憑此榮獲諾貝爾獎。不過，這一成就其實早在1929年就由中國物理學家趙忠堯先生觀察到了！他當時發現伽馬射線可以生成正負電子對。然而，因為實驗的局限和缺乏對反粒子的理論認知，這一成果未能引起足夠重視，趙先生也因此與諾貝爾獎失之交臂。

趙忠堯與中國實驗物理學的輝煌

趙忠堯先生對反粒子的發現，為后來的粒子物理研究奠定了基礎。作為中國物理學界的杰出代表之一，他不僅在伽馬射線實驗中揭開了反粒子的端倪，更為中國核物理的崛起貢獻了重要力量。50年代回國后，趙忠堯先生還培養了許多杰出的物理人才，為中國科學事業的發展打下了堅實的基礎。

與趙忠堯齊名的另一位物理學家王淦昌，也對粒子物理領域做出了卓越的貢獻。王淦昌曾參與發現中微子和超子等基本粒子，是實驗物理領域的先驅人物。趙忠堯和王淦昌的名字雖不如楊振寧、李政道等理論物理學家般家喻戶曉，但他們對實驗物理的貢獻無疑是開創性的。

從“真空之穴”的奇想，到反粒子的發現，再到中國物理學家的杰出貢獻，物理學的世界充滿了意想不到的奧秘。迪拉克的真空理論不僅揭示了宇宙中隱藏的“負能量”，也為現代物理學打開了研究反粒子的嶄新視野。或許，真空之中蘊藏的奧秘還遠遠不止如此，等待著我們去揭開它們的面紗。

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作者：《趙崢教授解讀物理世界》今朝文化 科普創作團隊
審核：周曉亮 北京交通大學物理學實驗室高級工程師

來源: 星空計劃

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