1928年，26歲的狄拉克遨遊於算符海洋轉眼已近兩年，其間，他不但對微觀粒子的第四重坐標——自旋量子數——給出了精準定義，還找到了描述所有自旋量子數為半整數的粒子分布狀態的統計規律，即費米一狄拉克統計。
一切即將大功告成，然而，在收尾階段推導電子所攜帶的能量E時，他發現自己得到的是E2的表達式。這意味著開根號後能量將有兩個數值，一正一負。依據質能方程，質量是能量的一種表達形式，如果存在“負能量”，那麽理所當然也就必定存在“負質量”體。這將是怎樣一朵奇葩呀，想象一下你向一粒“負質量”電子施加吸引力，它卻反倒離你遠去的詭異景象吧。
電子作為一種費米子，它們必須時刻遵從泡利君王的律令，自能態最低處開始不相重疊地依次入駐各個崗位。假若負能態真的存在，為何從來沒人觀察到電子族群從正能態跌落至負能態並釋放大量異塵餘生的壯觀景象呢?而更進一步的矛盾是，既然負能態上還有空缺，世間為何還有那麽多的電子敢於忤逆排布規則，逡巡於高高在上的正能態中呢?
又經過長達兩年的思考，狄拉克終於為他筆下的“- E”，找到了一種合乎邏輯的解釋:電子之所以能在正能態中遊蕩，是由於負能態早都已被佔滿了。負能態“顆粒”實在太多、太密，它們無孔不入，填滿了空間的每一絲縫隙，從而形成一個真正意義的“連續統”。在狄拉克構建的異世界裡，它就是承載負能量的海洋，史稱“狄拉克之海”。
可是，介於狄拉克為他的負能量之海所下的定義，海裡的粒子相互之間不受任何作用力約束，這是不是意味著，我們永遠也無法通過儀器檢測到它們，因而也就不可能對理論進行證實或證偽了呢?
治學嚴謹的狄拉克當然不會隨意拋出無法驗證的空談。調動逆向思維，他想出一套絕妙的實驗方案:雖然我們尚無能力用瓢將海水舀起，但利用高能射線這把大錘，從海中鑿出一兩顆負能量粒子卻是可行的。而負能量粒子一旦躍出海平面，闖入正能態，立馬就會變成普普通通的正質量粒子了。
從外部看來，突然多出的些許質量仿佛違背了守恆原則，但此時，你若把目光探向狄拉克之海深處，就會找到一個與之對應的“空穴”。如果從海中逃逸的微粒攜帶負電荷，那麽原本均勻的連續統現在就缺失了部分負電荷，此時在空穴處應能檢測到等量的正電荷。更重要的是，逃逸的粒子隨身帶走了負質量，無意間為正質量的湧入創造了契機。
借此，狄拉克在看不見摸不著的負能量之海掬起了一顆實實在在、兼具正質量與正電荷的微粒，恰與海面上攜帶負電荷的普通微粒兩相呼應。新理論不但絲毫沒有破壞能量守恆，同時還是電荷守恆的最佳佐證。
與當今科學家們都以發掘新粒子為己任不同，在前加速器時代，物理界對新物種的降生普遍持保留態度。在這樣的氛圍之下，一向果敢的狄拉克也猶豫了起來，含含糊糊不願吐露新粒子的芳名。
在好友與前輩的雙重鼓勵下，狄拉克終於邁出了決定性的一步。1931年，他將自己原先迫於壓力勉強塞入負能量之海的質子給挖了出來，在新發表的論文中，公布了“正電子”這一概念——它的質量與電子相當，卻攜帶著與其等量的正電荷。
不僅如此，狄拉克更順勢將“海水”蔓延至整個世界。他解釋道:相對於我們所熟悉的電子而言，創生於空穴的微粒又可稱作“反電子”;那麽運用同樣的手段，只要能量足夠大，當然也可以從真空之中敲出“反質子”——質量與質子相當，卻攜帶著負電荷。有了反質子與反電子，待技術進一步成熟，我們就可利用它們搭建“反原子”“反分子“反物質”……
狄拉克以他舉世無雙的創造力，在天地之間為大家開辟了一整塊“反大陸”，為尋找“反世界”的人們指明了方向。
文源:《時與光：一場從古典力學到量子力學的思維盛宴》
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編輯：祁蕊
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作者：棽棽
清華大學出版社出版
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