新浪科技综合■哈利·波特的魔法背后的物理原理新浪科技综合2020-08-25 12:04:570阅
来源：中科院高能所
最近 ， 《哈利波特与魔法石》全新4K修复3D版正式上映 ， 20年魔法梦不灭 ， 粉丝们终于可以身临其境地体验一把魔法世界 。
神奇的魔杖、刺激的探险……那些曾惊艳我们的种种 ， 多希望能变成现实啊！
消失的玻璃
情境回放：
哈利使得关住蟒蛇的玻璃消失 ， 放走了蟒蛇 。
消失的玻璃去哪了
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图1/15消失的玻璃去哪了？物体能凭空消失吗？
当然可以！只不过 ， 玻璃并不是“凭空”消失的 ， 而是说 ， 组成玻璃的这些分子原子它们消失了 ， 取而代之的 ， 是其他形式存在的能量 。
咦？物质和能量之间相互转化？
很多人有类似于“物质不灭定律”的固定思维 。 当汽油燃烧完后 ， 物质并没有消失 ， 只不过汽油中的碳和氢原子 ， 和空气中的氧气结合成了水蒸汽和二氧化碳 。 等等各种反应 ， 只不过是物质在不同组合之间的转换 。
然而 ， 物质不灭是一个假象 ， 组成物质的基本粒子 ， 在能量足够高的情况下 ， 可以成对地消失 ， 转化成能量 。 比如现在的对撞机实验发现高能正负电子对撞会湮灭为高能光子 ， 高能光子也可以从真空中激发出大量的粒子 。 强大的激光能量束 ， 能够在真空中剥离出电子和正电子来 。 也就是我们所说的“产生正负电子对” 。
在真空中剥离出电子和正电子来？对 ， 要一步步搞清楚 ， 其实不难 ， 当我们知道真空是什么 ， 这个问题就好解释了 。 那么 ， 物体消失的魔法 ， 也就不在话下啦！
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图2/15我们曾天真地以为真空里有“以太”
曾经的物理学家们认为 ， 既然电磁波能够在真空中传播 ， 那么真空中一定弥漫着一种特殊的媒介 ， 叫做“以太” ， 电磁波就是以太的振动而形成的 。
但是测量以太 ， 发现没有
提出了以太之后 ， 肯定就有人要去证实一下啦 。 迈克耳孙和莫雷 ， 想到了利用光的干涉效应对以太进行实验测量 。 如果以太存在的话 ， 根据牛顿力学的速度叠加原理 ， 在地球上朝着不同方向传播的光的速度有微小的差异 ， 那么两条光路的干涉效应可以表现出这一差异 。 这个实验被称为迈克耳孙—莫雷实验 ， 其实它已经达到了非常高的测量精度 ， 然而却没有观察到预期的光速的差异 。 这就……令科学家们不安了 。
爱因斯坦：嗯 ， 不需要以太啊！
此时 ， 拯救世界的就是大家所熟知的——爱因斯坦 ， 他提出了狭义相对论 ， 其中有两条基本原理：相对性原理和光速不变原理 。 只要放弃牛顿力学中绝对空间和绝对时间的概念 ， 就能解释迈克耳孙—莫雷实验的结果 ， 完全不需要引入以太 。 电磁场本身就是一种物质 ， 电磁波是这种物质的运动形式之一 ， 不需要媒介就可以在空间中传播 。
至此 ， 经典的以太这个概念 ， 被人们所摒弃 。。
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图3/15狄拉克用方程导出了电子自旋
事情转到1927 年 ， 狄拉克提出了满足相对论协变性的量子力学方程——狄拉克方程 。 由于这个方程自然地导出了电子自旋的结果 ， 被人们公认为现代理论物理学的一个巨大成就 。
负能量的电子 ， 怎么办？
但是 ， 狄拉克方程也预言了一个非常神奇的结果：狄拉克方程的解 ， 竟然还存在负能量的电子！
如何理解这些负能量的电子呢？狄拉克解释说 ， 真空是所有负能量态都被占据的状态 ， 每个负能量态都有一个电子占据着 ， 所以阻止了正能量的电子向负能量态跃迁 ， 至于为啥 ， 那是因为泡利不相容原理：在费米子组成的系统中 ， 不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态 。 同一个状态的电子 ， 最多只能被激发出一个 。
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图4/15真空可以看成填满了所有负能量态的电子形成的海洋 ， 而带有正能量的电子则在这个海面上运动 。
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图5/15真空是电子海！这样一个景象 ， 可以说是令人相当惊奇的 。 设想一下 ， 如果一个高能量的γ射线入射到电子海中 ， 海中将有一个电子被激发到海面上 ， 而电子海中也会留下一个空穴 。 狄拉克给这个空穴起了个名字叫正电子 ， 因为它相当于一个带正电荷的电子在真空中运动 。 它应该与电子具有相同的质量 ， 但它有正的电量 ， 是电子正能态的一种镜像 。 狄拉克还进一步预料：当正电子和负电子相遇时 ， 会发生湮灭而产生光子 。 相反 ， 一对光子的湮灭 ， 也会产生出一对正电子和负电子！
相当的天才 ， 有木有！
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图6/15安德森证实了狄拉克的预言
有了预言 ， 那又有人要去实验证实啦！安德森在宇宙线照射的云室中 ， 发现了一个与电子质量相等、却带有正电荷的电子——正电子 ， 非常成功地支持了狄拉克的理论预言 。 紧接着不到4年的时间 ， 就有大约4万多例实验反复证明了正电子的存在 。 狄拉克和安德森还因为这 ， 分别获得了1933年和1936年的诺贝尔物理学奖呢 。
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