■粒子與反粒子。 作者供圖真空確實並非是一片虛空，實際上其中不斷產生並湮滅大量的正負電子對。
真空是什麼？在物理學似乎已經發展到相當成熟的今天，卻仍然是一個未能完滿解決的問題。古代對真空的看法是更偏向哲學意義上的，基本觀念有兩種：一種是承認有一個虛無一物的、獨立於物質而存在的空空蕩蕩的真空。而另一種則排斥虛空觀念，認為真空不空，宇宙空間充滿一種叫作以太的物質。現代物理學的發展否定了以太的存在，卻深化了真空對物質的依賴關係。物理學家們對於空間與物質的深刻聯繫的認識愈來愈清楚了。
廣義相對論把空間看作為場的結構，是物質的一種特殊形態，量子力學尤其後來的量子場論，則把真空看成是量子場能量最低的基態。量子力學對真空的理解以「狄拉克海」為代表。物理學大師狄拉克一生追求物理理論的「數學美」，然而，在狄拉克方程的解中，有一個結果會導致電子可以具有「負能量」狀態的荒謬結論。為了克服這一困難，狄拉克發揮了他天才的想像能力，想像我們世界所謂的「真空」，已經被所有具有負能量的電子填滿了，只是偶爾出現一兩個「空穴」。因為最低能量態已經填滿了，電子便不可能躍遷。這個被負能量電子填滿了的真空，叫作「狄拉克海」。
而狄拉克海中偶爾出現的「空穴」泡泡又是什麼呢？狄拉克認為，那些空穴應該在所有方面都具有和負能量的電子相反的性質，那就是說：一個「空穴」應該是一個電荷為正、能量為正的粒子。如果我們世界中的正能量電子，碰到這樣的「空穴」，就會輻射出光子且向這個偶然出現的負能量躍遷，最後結果是電子沒有了，空穴也沒有了，它們的能量轉換成了光子的能量。
當時狄拉克也許只是為了追求理論上的數學美，而作出能自圓其說的美麗假設。可沒想到， 1932 年，從美國加州理工學院傳來一條令人吃驚的消息：安德森在研究宇宙線的雲室裡，發現了一種與狄拉克假設的「空穴」一模一樣的新粒子－正電子！由此看來，真空確實並非是一片虛空，實際上其中不斷產生並湮滅大量的正負電子對。狄拉克的真空假設導致了反物質的發現，為此，狄拉克和安德森分別獲得了1933年及1936年的諾貝爾物理學獎。■香港教育圖書公司 《十萬個為甚麼（新視野版） 物理 II》
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