在物理学的世界中，真空不只是“什么都没有”的空无。它其实是一个充满了“潜能”的奇妙空间。让我们跟随迪拉克的步伐，走进这个被称为“真空之穴”的神秘领域。

什么是真空？迪拉克的“负能量”大猜想

从古至今，大家对“真空”的理解都是：什么都没有、完全的空白。但在20世纪初，伟大的物理学家保罗·迪拉克（Paul Dirac）提出了一个大胆的想法：真空不仅仅是“空”，而且可能是能量的最低状态。那么这个最低能量状态，真的就是“零”吗？迪拉克认为：不！他甚至提出了一种让人惊叹的“负能态”概念。

根据相对论的公式，能量的平方与质量、动量之间存在一个奇妙的关系。它给出的结果中，能量可以为正值也可以为负值——这意味着理论上负能量可能存在！但我们从未真正见过负能量，因此迪拉克提出了一种设想：也许真空的最低能量状态是所有“负能态”都被填满的状态，而“正能态”则空无一物。

负能量的“空穴”：正电子的发现

迪拉克的真空理论不仅美妙而且具有惊人的预见性！他设想，如果我们能“打击”真空，可能会让负能量的粒子跳入正能态，这会在负能态留下一个“空穴”。而这个空穴就是一种奇妙的“反粒子”——它和电子的质量相同，但电荷却相反，于是“正电子”这一新概念被提了出来。

这种“真空中打出反粒子”的设想在几年后被实验证实。1932年，美国物理学家卡尔·安德逊（Carl Anderson）通过实验发现了正电子，并凭此荣获诺贝尔奖。不过，这一成就其实早在1929年就由中国物理学家赵忠尧先生观察到了！他当时发现伽马射线可以生成正负电子对。然而，因为实验的局限和缺乏对反粒子的理论认知，这一成果未能引起足够重视，赵先生也因此与诺贝尔奖失之交臂。

赵忠尧与中国实验物理学的辉煌

赵忠尧先生对反粒子的发现，为后来的粒子物理研究奠定了基础。作为中国物理学界的杰出代表之一，他不仅在伽马射线实验中揭开了反粒子的端倪，更为中国核物理的崛起贡献了重要力量。50年代回国后，赵忠尧先生还培养了许多杰出的物理人才，为中国科学事业的发展打下了坚实的基础。

与赵忠尧齐名的另一位物理学家王淦昌，也对粒子物理领域做出了卓越的贡献。王淦昌曾参与发现中微子和超子等基本粒子，是实验物理领域的先驱人物。赵忠尧和王淦昌的名字虽不如杨振宁、李政道等理论物理学家般家喻户晓，但他们对实验物理的贡献无疑是开创性的。

从“真空之穴”的奇想，到反粒子的发现，再到中国物理学家的杰出贡献，物理学的世界充满了意想不到的奥秘。迪拉克的真空理论不仅揭示了宇宙中隐藏的“负能量”，也为现代物理学打开了研究反粒子的崭新视野。或许，真空之中蕴藏的奥秘还远远不止如此，等待着我们去揭开它们的面纱。

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作者：《赵峥教授解读物理世界》今朝文化 科普创作团队
审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室高级工程师

来源: 星空计划

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