狄拉克預言指的是，1931年著名的英國物理學家狄拉克首先從理論上用極精美的數學物理公式預言，磁單極子是可以獨立存在的。他認為，既然電有基本電荷電子存在，磁也應有基本磁荷磁單極子存在，這樣，電磁現象的完全對稱性就可以得到保證。因此，他根據電動力學和量子力學的合理推演，前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來。
基本介紹
- 中文名：狄拉克預言
- 相關人物：狄拉克
- 提出時間：1930年
- 相關內容：磁單極子是可以獨立存在的
理論假設,原理分析,學說爭議,提出人物,生平,貢獻,
理論假設
1928年英國物理學家，量子力學的創始人之一狄拉克（1902~1984）把量子力學的薛丁格方程推廣到相對論領域而得到相對論量子力學，建立起了相對論電子波動方程。狄拉克理論的許多結果都與實驗相符合，但是它遇到了一個特殊的“負能困難”。按照狄拉克方程進行計算的結果，竟允許存在電子的能量為負值的狀態，而且負能級沒有下限。這樣一來，任何一個電子都可以無止境地落入這個無底的負能深淵，從而無限地釋放能量。這個結論顯然與事實不符。
1931年著名的英國物理學家狄拉克首先從理論上用極精美的數學物理公式預言，磁單極子是可以獨立存在的。他認為，既然電有基本電荷－－電子存在，磁也應有基本磁荷－－磁單極子存在，這樣，電磁現象的完全對稱性就可以得到保證。因此，他根據電動力學和量子力學的合理推演，前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來。以前，狄拉克曾經預言過正電子的存在，並已經為實驗所證實；這一次他的磁單極子假設同樣震驚了科學界。
為了解決這個困難，他又提出一個假設，認為所有電子的負能級事先已被大量的電子所占滿，所以正能級上的電子就無法再向下跳（人們在1925年即已知道，電子遵從所謂的泡利不相容原理，即同一個狀態上只允許有一個電子。按照這個原理，下面的能級被占滿了，上面的電子自然就無法再“跳”下來了）。而且，為了解釋實驗觀察不到負能電子這一事實，還必須假設整個填滿了的負能“電子海”所造成的總效果為零，即整個“電子海”所有可觀察量－電荷、質量、動量等均為零，也就是平時所說的“真空”。由此可得到一個很有意思的推論，既然全部填滿的負能電子海相當於真空，那么從這個電子海中搬走一個電子，顯然就相當於出現一個“反電子”。當然“反電子”的性質與電子相反，電子電荷為負，反電子的電荷就應為正。這樣狄拉克在1930年就從理論上預言了自然界中存在有反電子。
原理分析
進一步分析可知，前面講的“搬走一個電子”只能是“搬”到正能級上，因為所有的負能級早已全部填滿。這就是說，在出現一個反電子的同時還會出現一個普通的電子（即正能電子），此即所謂的“電子對的產生”。另外，在負能級與正能級之間存在著大約一兆電子伏的間距。因此，為了產生電子對，還必須讓真空（電子海）吸收能量大於1兆電子伏的光子（即吸收大於1兆電子伏的能量）才行，反過來講，如果電子海中有一個空位（即真空中有一個反電子），那么正能電子（普通電子）就能夠跳到這個空位上去並放出能量大於1兆電子伏的光子來。伴隨著光子的產生，電子對消失了。這樣的過程在物理學上叫作“電子對的湮滅”。這樣狄拉克又提出正、負電子對能由光子在真空中產生出來，當正電子和負電子碰撞時，就湮滅變成光子。
學說爭議
其他學說
在磁單極子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極子學說外，還有其他一些科學家也曾提出過多種的學說，各有其特點和根據。
如著名的美籍義大利物理學家費米也曾經從理論上探討過磁單極子，並且也認為它的存在是可能的。
華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授等一些著名的科學家，也從不同方面和不同程度地對磁單極子理論做出了補充和完善。
它們彌補了狄拉克理論中的一些缺陷和不足，給磁單極子的構想輔以更堅實的理論基礎。
提出人物
生平
震動的微粒子的解說者－－量子論
（也譯作“迪拉克”，Paul Adrie Maurice DIRAC，1902-1984）是英國物理學家。1902年8月8日誕生在英格蘭布里斯托。量子力學的創始人之一。
1902年8月8日生於英國布里斯托城。他跳級讀完中學，在中學自學了相當高深的數學。1918年畢業後考入布里斯托大學電機系。1921年大學畢業，獲電氣工程學士學位。1923年考入劍橋大學聖約翰學院當數學研究生。1923年成為劍橋大學聖約翰學院數學系的研究生。1925年開始研究由海森伯等人創立的量子力學，1926年發表題為《量子力學》的論文，獲劍橋大學物理學博士學位，應邀任聖約翰學院研究員。1929年週遊各國，作學術訪問，先在美國逗留了五個月，後來和海森伯一起訪問日本，再橫貫西伯利亞，回到英格蘭。1930年選為英國倫敦皇家學會會員。1932到1969年，狄拉克任劍橋大學盧卡斯數學教授（牛頓曾任此職務，現任為霍金)，1969年退休。他還擔任過美國威斯康星大學、密執安大學、普林斯頓大學、邁阿密大學等有名學府的訪問教授。1933年狄拉克和薛丁格、海森伯一起分享當年度諾貝爾物理學獎金。1971年起任劍橋大學榮譽教授，兼任美國佛羅里達州立大學物理學教授。
1984年10月24日逝世。終年82歲。 [編輯本段]二、科學成就 狄拉克對物理學的主要貢獻是發展了量子力學，提出了著名的狄拉克方程，並且從理論上預言了正電子的存在。狄拉克青年時代正好是原子物理學實驗積累了大量材料、量子理論處於急劇變革的時代。由於深受以愛因斯坦為代表的20世紀物理學中理性論思潮的影響，加之個人的勤奮和思想方法的正確，狄拉克在量子力學的理論基礎特別是普遍變換理論的建立方面，在相對論性電子理論的創立方面，以及在量子電動力學和量子場論的建立方面，都作出了重大的貢獻。1926～1927年，研究出量子力學的數學工具變換理論與費來名自獨立地提出具有半整數自旅粒子偽統計較（費米一狄拉克統計法）。1927年提出二次量子化方法。把量子論套用於電磁場，並得完第一個量子化場的模型，奠定了量子電動上學的基礎。1928年與海森伯合作，發現交換相互作用，引入交換力。同年，建立了相對論性電子理論，提出描寫電子運動並且滿足相對論不變性的波動方程（相對論量子力學）。在這個理論中，把相對論、量子和自旋這些在此以前看來似乎無關的概念和諧地結合起來，並得出一個重要結論：電子可以有負能值。由此出發，於1930年提出“空穴”理論，預言了帶正電的電子（即正電子）的存在。1931年預言了反粒子的存在，電子一正電子對的產生和湮沒。1932年，安德森在宇宙射線中果然發現了正電子。不久，布萊克特在用雲室觀察宇宙線時又發現了電子一正電子對成對產生和湮沒的現象。1931年提出關於“磁單極”存在的假設。論證了以磁單極為基礎的對稱量子電動力學存在的可能性。1932年與福克和波多利斯基共同提出多時理論。1933年提出反物質存在的假設。假定了真空極化效應的存在。1936年建立了主要是關於自由粒子的經典場的普遍理論。1937年提出了引力隨時間變化的假設。1942年為消除電子固有能量的無限大值而引人不定度規的概念。1962年提出u子的理論，在這個理論中u子被描寫為電子的振動狀態。此後，主要研究引力理論的哈密頓表述形式問題，以進一步把引力場量子化。
狄拉克原來從事相對論動力學的研究，自從1925年海森伯訪問劍橋大學以後，狄拉克深受影響，把精力轉向量子力學的研究。1928年他把相對論引進了量子力學，建立了相對論形式的薛丁格方程，也就是著名的狄拉克方程。這一方程具有兩個特點：一是滿足相對論的所有要求，適用於運動速度無論多快電子；二是它能自動地導出電子有自旋的結論。這一方程的解很特別，既包括正能態，也包括負能態。狄拉克由此做出了存在正電子的預言，認為正電子是電子的一個鏡像，它們具有嚴格相同的質量，但是電荷符號相反。狄拉克根據這個圖象，還預料存在著一個電子和一個正電子互相湮滅放出光子的過程；相反，這個過程的逆過程，就是一個光子湮滅產生出一個電子和一個正電子的過程也是可能存在的。1932年，美國物理學家安德森（1923-）在研究宇宙射線簇射中高能電子徑跡的時候，奇怪地發現強磁場中有一半電子向一個方向偏轉，另一半向相反方向偏轉，經過仔細辨認，這就是狄拉克預言的正電子。後來很快又發現了γ射線產生電子對，正、負電子碰撞“湮滅”成光子等現象，全面印證了狄拉克預言的正確性。狄拉克的工作，開創了反粒子和反物質的理論和實驗研究。
狄拉克是量子輻射理論的創始人，曾經和費米各自獨立發現了費米-狄拉克統計法。狄拉克還在美國佛羅里達州立大學發表過大量有關宇宙學方面的論文，推動宇宙學研究的發展。特別值得一提的是，狄拉克早在本世紀三十年代，就從理論上提出可能存在磁單極的預言。近年來有關磁單極的理論研究和實驗探測取得了迅速發展。1982年國外已有報導，宣稱有人發現了磁單極存在的證據。當然，假如真能從實驗上證實磁單極存在，一定會引起物理理論的深刻變化。
狄拉克對物理學的發展充滿信心，把自己畢生的精力、興趣、熱情全部投入追求科學真理的事業。他為當代物理學提供了豐富的物理思想，如正則量子化、變換理論、合時微擾、二次量子化、粒子沙表象、空穴理論和反粒子概念、電有共把對稱性。路徑積分、多時理論、重正化方法、用單極、弦模型、不定度規、引力場量子化等等。這些創造性的新思想為當代物理理論的發展開拓出新路。一大批獲得諾貝爾獎金的傑出物理學家都是在狄拉克思想的引導下，或在狄拉克開闢的道路繼續前進而取得豐碩成果的。他對物理學的傑出的貢獻也為他帶來了崇高的聲譽，他因建立了量子力學而和薛定愕共獲1933年度諾貝爾物理學獎，1939年獲英國皇家獎章，1952年獲英國皇家學會科普利獎章，1968年獲奧海默獎章。他除了是英國皇家學會的成員以外，還是前蘇聯科學院通訊院士和美國普林斯頓高級研究院、羅馬教皇科學院的成員。狄拉克曾應邀到德國、美國、日本等許多國家作訪問講學。1935年7月應我國清華大學的邀請，在清華大學作了關於正電子的演講，並會見了我國的物理學界人士。1984年10月20日，狄拉克在美國佛羅里達逝世，為悼念這位偉大的理論物理學家，英國劍橋大學聖約翰學院舉行了隆重的紀念報告會。
狄拉克一生著作甚豐。他的名著、《量子力學原理》（1930）以深刻而簡潔的方式表述了量子力學，半個多世紀以來一直是這個領域的一本基本教科書。還著有《量子力學講義》（1964）、《量子場論講義》（1966）、《量子論的發展》（1971）、《希耳伯特空間中的旋量。（1974）、《廣義相對論》（1975）、《物理學的方向》（1978）等。
貢獻
狄拉克最大的科學貢獻是證明的反粒子的存在，從而將量子力學與相對論統一到一起。
