理解狄拉克海的关键在于狄拉克方程和量子场论中的正粒子与反粒子概念。自由粒子存在正能解和负能解,二次量子化后,对应正粒子和反粒子。
负能激发的概念可能让人困惑,因为负能激发意味着能量没有下限,“真空”不再代表能量最低态。为了解决这一问题,狄拉克提出了一个创新的思路,重新定义真空。他设想真空充满了负能粒子,如同一片海,这样任何激发都将产生正能状态。
然而,这一概念与我们对真空的直观理解相悖。大量粒子的存在确实可能导致可观测的引力效应,挑战了真空的“空”态。那么在“正统”的量子场论中,如何实现这一改变呢?
在正统量子场论中,自由粒子的哈密顿量对角化后,正粒子对应于 [公式],而反粒子对应于 [公式],其中费米子体现了粒子的统计性质。
通过将负能态的产生和湮灭算符对调,利用算符的代数关系(反对易),可以将负能激发转换为正能激发。这种操作使得“产生”正能反粒子等同于原有的“湮灭”负能反粒子。费曼进一步解释,负频率可以被理解为“时间上倒着走”的正频率,从而正反粒子在本质上仅仅在旋量上有所区别。
经过这一调整,新的哈密顿量变为
[公式]
现在向“真空”中添加正反粒子时,只会产生正能正频状态,真正实现了“真空”的空态。尽管如此,哈密顿量仍然不可避免地留下了一个无穷大的求和常数[公式],但这并没有影响理论与实验结果的一致性,实验观测完全符合正能激发的理论预测。
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