ÿþT o E n j o y t h e M o r n i n g F l o w e r i n t h e
E v e n i n g I s S p e c i a l R e l a t i v i t y a C l a s s i c a l
T h e o r y ? "
G u a n g - j i o n g N i
D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , F u d a n U n i v e r s i t y
S h a n g h a i , 2 0 0 4 3 3 , P . R . C h i n a
M a r c h 1 0 , 1 9 9 8
A b s t r a c t
T h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e s p e c i a l r e l a t i v i t y a n d q u a n t u m m e c h a n i c s
i s d i s c u s s e d . B a s e d o n t h e p o s t u l a t e t h a t s p a c e - t i m e i n v e r s i o n i s e q u a -
v a l e n t t o p a r t i c l e - a n t i p a r t i c l e t r a n s f o r m a t i o n , t h e e s s e n c e o f s p e c i a l
r e l a t i v i t y i s e x p l o r e d a n d t h e r e l a t i v i s t i c m o d i f i c a t i o n o n S t a t i o n a r y
S c h r ö d i n g e r E q u a t i o n i s d e r i v e d .
T h e 2 0 t h c e n t u r y i s c o m i n g t o a n e n d . M a n y p e o p l e w i s h t o s p e c u l a t e o n
t h e d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e i n t h e n e x t c e n t u r y . T h e a c h i e v e m e n t o f p h y s i c s i n
t h e 2 0 t h c e n t u r y i s s o b r i l l i a n t t h a t i t c o n c e a l s s o m e m y s t e r i e s w h i c h r e m a i n
s t i l l s i n c e t h e b e g i n n i n g o f t h e 2 0 t h c e n t u r y . J u s t l i k e t h e f l o w e r s b l o s s o m e d
i n t h e m o r n i n g w i l l b e m o r e b e a u t i f u l t o e n j o y i n t h e e v e n i n g , w e w r i t e d o w n
t h e t i t l e , w h i c h r e m i n d s u s o f t h e b o o k T o p i c k u p t h e m o r n i n g f l o w e r i n
t h e e v e n i n g b y t h e f a m o u s C h i n e s e w r i t e r , L u X u n ( 1 8 8 1 - 1 9 3 6 ) . I t h i n k w e
n e e d t o l e a r n f r o m L u i n d o i n g t h e s c i e n t i f i c r e s e a r c h .
"
T h i s i s a n E n g l i s h v e r s i o n o f i t s o r i g i n a l a r t i c l e p u b l i s h e d i n t h e C h i n e s e j o u r n a l K e x u e
( S c i e n c e ) V o l . 5 0 , N o . 1 , 2 9 <"3 3 , 1 9 9 8
E - m a i l : g j n i @ f u d a n . a c . c n
1
a r X i v : q u a n t - p h / 9 8 0 3 0 3 4 v 1 1 4 M a r 1 9 9 8
1 A l e s s o n
T h e S p e c i a l R e l a t i v i t y ( S R ) w a s e s t a b l i s h e d i n 1 9 0 5 . S i n c e t h e n , i n m o r e
t h a n 5 0 y e a r s , t e a c h e r s a n d s t u d e n t s i n l e a r n i n g p h y s i c s w e r e d e l i g h t e d t o
t a l k a b o u t t h e L o r e n t z c o n t r a c t i o n a r o d m o v i n g i n h i g h s p e e d s e e m s
s h o r t e r t h a n i t i s a t r e s t . I t w a s n o t u n t i l 1 9 5 9 t h a t J . T e r r e l l p o i n t e d o u t
t h a t t h e L o r e n t z c o n t r a c t i o n i s n o t q u i t e t h e c a s e t h a t i t s e e m s t o b e ( P h s y .
R e v . 1 1 6 ( 1 9 5 9 ) 1 0 4 1 , s e e R e f [ 1 ] ) . T h e r e a s o n i s s i m p l e . I n g e n e r a l c a s e ,
t h e l i g h t e m i t t e d a t t h e s a m e t i m e f r o m d i f f e r e n t p o i n t s o f a m o v i n g b o d y
c a n n o t a r r i v e a t t h e p u p i l o f a n o b s e r v e r a t a s a m e t i m e . O n t h e o t h e r s i d e ,
t h e l i g h t w h i c h a r r i v e a t t h e p u p i l a t t h e s a m e t i m e a r e n o t e m i t t e d f r o m t h e
b o d y a t a s a m e t i m e .
T h e r e i s a l e s s o n w e s h o u l d l e a r n f r o m t h e i n t e r e s t i n g t h i n g m e n t i o n e d
a b o v e . M a y b e d u e t o t h e g r e a t s u c c e s s o f S R a n d Q u a n t u m M e c h a n i c s ( Q M )
, i n t h e r e s e a r c h o f t h e o r e t i c a l p h y s i c s a s w e l l a s i n t h e p h y s i c s t e a c h i n g ,
t h e d e d u c t i o n m e t h o d ( f r o m g e n e r a l c a s e t o s p e c i a l c a s e ) i s p r e v a i l i n g o v e r
t h e a n a l y s i s a n d i n d u c t i o n m e t h o d ( f r o m s p e c i a l c a s e t o g e n e r a l c a s e ) . I t
i s a n u n b a l a n c e d s t a t e w h i c h d o e s n o t c o n f o r m t o t h e l a w o f d e v e l o p m e n t
o f p h y s i c s . S u r e l y , t h e m a t h e m a t i c s a n d l o g i c a l r e a s o n i n g a r e v e r y i m p o r -
t a n t . B u t o n e s h o u l d f u s e t h e d e d u c t i o n a n d i n d u c t i o n m e t h o d s t o g e t h e r , a l l
d e p e n d i n g o n t h e r e a l i s t i c s i t u a t i o n u n d e r c o n s i d e r a t i o n .
2 D o t h e S R a n d Q M h a v e t h e c o m m o n
e s s e n c e ?
I n v a r i o u s u n i v e r s i t i e s , S R i s t a u g h t e i t h e r i n t h e c o u r s e o f c l a s s i c a l m e c h a n i c s
o r i n e l e c t r o d y n a m i c s . I t i s d e a l t w i t h a s a c l a s s i c a l t h e o r y , w h i c h i s d i f f e r e n t
f r o m t h e Q M i n e s s e n c e . W h a t i s t h e r e a s o n ? T h e f i r s t r e a s o n i s o b v i o u s .
T h e Q M w a s e s t a b l i s h e d i n 1 9 2 5 , 2 0 y e a r s l a t e r t h a n t h e b i r t h o f S R . T h e
s e c o n d r e a s o n i s a s f o l l o w s . T h e p h e n o m e n a ( a s t h e m e c h a n i c a l m o t i o n o f a
p a r t i c l e ) d i s c u s s e d i n S R a l l h a v e c l e a r - c u t c a u s a l i t y , w h i c h s e e m s f a r f r o m
t h e u n c e r t a i n t y r e l a t i o n o r w a v e p a r t i c l e d u a l i s m i n Q M .
P e r h a p s o n e c a n r a i s e m o r e r e a s o n s . B u t I d o n o t b e l i e v e i n t h e m a t
a l l . T h e M a x w e l l e q u a t i o n s w e r e e s t a b l i s h e d e v e n e a r l i e r t h a n S R f o r 3 0
y e a r s . B u t t h e y a r e r e l a t i v i s t i c i n e s s e n c e a n d n e e d n o m o d i f i c a t i o n b y t h e
e s t a b l i s h m e n t o f Q M . T h e y r e m a i n a c c u r a t e a n d e f f e c t i v e t i l l n o w . O n t h e
2
c o n t r a r y , t h e c l a s s i c a l m e c h a n i c s m u s t b e r e f o r m e d r a d i c a l l y i n t o r e l a t i v i s t i c
m e c h a n i c s b e f o r e t h e f o r m e r c a n b e a c c o m m o d a t e d i n t h e f r a m e w o r k o f S R .
M o r e o v e r , t h e c l a s s i c a l m e c h a n i c s c a n n o t f i n d i t s r i g h t p l a c e i n Q M .
B y c o n t r a s t , t h e c o m b i n a t i o n o f S R w i t h Q M l e a d s n a t u r a l l y t o R e l a t i v i s -
t i c Q M ( R Q M ) a n d R e l a t i v i s t i c Q u a n t u m F i e l d T h e o r y ( R Q F T ) , w h i c h
i n t u r n d e v e l o p i n t o t h e t h e o r y o f p a r t i c l e p h y s i c s , w i t h s t a n d i n g t h e t e s t o f
n u m e r o u s e x p e r i m e n t s .
I t i s s a i d t h a t t h e r e a s o n w h y t h e c o m b i n a t i o n o f S R w i t h Q M i s s o p r o -
d u c t i v e i s d u e t o t h e c o m p l e m e n t a r i t y o f c l a s s i c a l p o i n t o f v i e w w i t h q u a n t u m
p o i n t o f v i e w . I d o u b t e d i t q u i t e e a r l y . I t h o u g h t t h a t , e . g . , t h e m a r r i a g e
o f m a n a n d w o m a n g i v e s b i r t h t o a c h i l d . A r e t h e y d i f f e r e n t h u m a n b e i n g
i n e s s e n c e ? N o , t h e y m u s t b e t h e s a m e i n e s s e n c e b u t d i f f e r e n t i n s o m e a s -
p e c t s . I k n e w a m b i g u o u s l y t h a t t h e m a t i n g o f d i f f e r e n t s p e c i e s o f l i v i n g b e i n g s
c a n n o t b r e e d d e s c e n d a n t s . . A n e x o t i c e x a m p l e i s t h e m a t i n g o f h o r s e w i t h
d o n k e y . T h e y b r e e d a m u l e , b u t t h e l a t e r f a i l s t o b e r e p r o d u c t i v e a g a i n .
B a s e d o n t h e a b o v e s i m p l e c o n t r a s t , I f i r m l y b e l i e v e d i n t h e c o n s i s t e n c y i n
e s s e n c e o f S R w i t h Q M . A f t e r I k n e w l i t t l e a b o u t t h a t t h e i n h e r i t a n c e g e n e i s
D N A , m y p r o b l e m b e c a m e t h e f o l l o w i n g q u e s t i o n : W h a t a r e t h e D N A g a i n e d
b y R Q M a n d R Q F T f r o m S R a n d Q M e a c h w i t h 5 0 % ?
3 E n l i g h t e n m e n t f r o m t h e d i s c o v e r y o f d e
B l o g l i e s r e l a t i o n
T h e d e B l o g l i e s r e l a t i o n o f a p a r t i c l e , s a y , a n e l e c t r o n , i s w r i t t e n i n e v e r y
t e x t b o o k o n Q M . B u t v e r y f e w b o o k s h a d e x p l a i n e d h o w d e B l o g l i e f o u n d i t
i n 1 9 2 4 . W h e n I f o u n d t h e r e l e v a n t m a t e r i a l s i n 7 0 s , I w a s s t r o n g l y a t t r a c t e d
a n d t h e n w r o t e t h e m i n t o a b o o k [ 2 ] .
S u r p r i s i n g l y , t h e s t a r t i n g p o i n t o f d e B r o g l i e w a s S R . A t t h a t t i m e ,
t h e q u a n t u m c o n c e p t o f l i g h t w i t h r e l e v a n t E i n s t e i n r e l a t i o n
E = h v = h É ( 1 )
¯
w a s w e l l a c c e p t e d . S o a s a g e n e r a l i z a t i o n , d e B r o g l i e s u p p o s e d t h a t E q . ( 1 )
i s a l s o v a l i d f o r a n e l e c t r o n . H o w e v e r , a s e r i o u s c o n t r a d i c t i o n a r i s e s a t o n c e .
T h e f r e q u e n c y w o u l d i n c r e a s e w i t h t h e v e l o c i t y o f e l e c t r o n , a p r e d i c t i o n j u s t
i n o p p o s i t i o n t o t h a t o f s l o w i n g d o w n o f a m o v i n g c l o c k i n S R .
3
H e n c e d e B r o g l i e i n t r o d u c e d h i s s e c o n d p o s t u l a t e t h a t t h e f r e q u e n c y
a s s o c i a t e d w i t h e l e c t r o n i s n o t t h a t o f a c l o c k f i x e d o n t h e e l e c t r o n . R a t h e r ,
i t i s t h e f r e q u e n c y o f a w a v e a c c o m p a n y i n g w i t h t h e e l e c t r o n . T h e f r e q u e n c y
o f w a v e i s m e a s u r e d a t a f i x e d p o i n t i n s p a c e .
W h e n d e a l i n g w i t h t h e w a v e , t h e d i s c u s s i o n o f s p a c e - t i m e t r a n s f o r m a t i o n
i n S R n e e d s a n a l t e r n a t i v e i n v a r i a n c e a s t h e s u b s t i t u t i o n o f t h e i n v a r i a n c e o f
t h e s p e e d o f l i g h t . Q u i t e n a t u r a l l y , d e B r o g l i e i n t r o d u c e d t h e p o s t u l a t e o f
p h a s e i n v a r i a n c e , t h a t i s , t h e p h a s e o f i n t e r n a l c l o c k a t a n y i n s t a n t i s e q u a l
t o t h a t o f w a v e . d e B r o g l i e h i m s e l f w a s s o e m p h a s i z i n g o n t h i s p o s t u l a t e t h a t
h e c a l l e d i t a s t h e l a w o f p h a s e h a m o n y a n d e v e n c o n s i d e r e d i t a s t h e m o s t
b a s i c c o n t r i b u t i o n i n h i s w h o l e l i f e . ( s e e G . L o c h a k i n T h e W a v e - P a r t i c l e
D u a l i s m e d s b y S . D i n e r e t . a l . , D . R e i d e l P u b l i s h i n g C o m p a n y , 1 9 8 4 ) .
A s a n e x t s t e p , d e B r o g l i e a s s u m e d t h a t t h e g r o u p v e l o c i t y o f w a v e s h o u l d
e q u a l s t o t h e v e l o c i t y o f p a r t i c l e . T h u s h e d e r i v e d t h e r e l a t i o n u n i q u e l y a s
» = h / p , p = h k ( k = 2 À/ » ) ( 2 )
¯
b y m e a n s o f t h e L o r e n t z t r a n s f o r m a t i o n a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e n E a n d p :
E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 ( 3 )
0
T h e r e f o r e , i n s o m e s e n s e , d e B r o g l i e b e g a n f r o m t h e w h o l e t h e o r y o f S R
c o m b i n i n g w i t h t h e h a l f o f q u a n t u m t h e o r y , E q . ( 1 ) , t o d e r i v e t h e o t h e r h a l f
o f q u a n t u m t h e o r y E q . ( 2 ) .
A f t e r l e a r n i n g h i s i d e a , I t h o u g h t t h a t t h e c o n s i s t e n c y i n e s s e n c e o f S R
w i t h Q M i s b e y o n d a n y d o u b t . T h e p r o b l e m w a s w h e r e i s t h e b r e a c h ?
4 T h r e e p o i n t s o f u n d e r s t a n d i n g i n l e a r n i n g
p h y s i c s
F o r f u r t h e r d i s c u s s i o n , I w o u l d l i k e t o s u m m a r i z e m y t h r e e p o i n t s o f u n d e r -
s t a n d i n g a f t e r l e a r n i n g p h y s i c s f o r o v e r 4 0 y e a r s .
( a ) T h e o b s e r v a b l e n e s s o f a p h y s i c a l q u a n t i t y o r t r a n s f o r m a t i o n m u s t b e
r e l a t e d , d i r e c t l y o r i n d i r e c t l y , t o s o m e s y m m e t r y ( c o n s e r v a t i o n l a w ) o r
d y n a m i c a l l a w . O n c e s u c h k i n d o f r e l a t i o n i s l o s t , i t w i l l c e a s e t o b e a n
o b s e r v a b l e , i . e . , i t w i l l l o s e i t s m e a n i n g .
4
( b ) W h i l e t h e r e a r e t h e o r e m s i n m a t h e m a t i c s , t h e r e a r e l a w s a s w e l l a s t h e -
o r e m s i n p h y s i c s . A q u a n t i t y i n t h e t h e o r e m m u s t b e d e f i n e d u n a m b i g u o u s l y
a n d i n d e p e n d e n t l y i n a d v a n c e . B u t i t i s n o t t h e c a s e f o r l a w , s o m e t i m e s ( n o t
a l w a y s ) a l a w i s c a p a b l e o f a c c o m m o d a t i n g a d e f i n i t i o n o f p h y s i c a l q u a n t i t y
w h i c h i s n o t w e l l d e f i n e d b e f o r e t h e e s t a b l i s h m e n t o f t h e l a w .
( c ) O n e o f t h e p r e c i o u s e x p e r i e n c e s o f p h y s i c s i n t h e 2 0 t h c e n t u r y l i e s
i n t h e f a c t t h a t a n e w i d e a i s v a l u a b l e o n l y i f i t c a n f i n d s o m e a c c u r a t e
m a t h e m a t i c a l s c h e m e a s i t s c a r r i e r . A n i d e a i f i t c a n o n l y b e e x p r e s s e d b y
o r d i n a r y l a n g u a g e w o u l d b e p r o b a b l y i n c o r r e c t , a t l e a s t i t i s n o t d e e p .
5 E n l i g h t e n m e n t f r o m t h e d i s c o v e r y o f p a r i t y
v i o l a t i o n
I n 1 9 5 6 , t h e h i s t o r i c a l d i s c o v e r y o f p a r i t y v i o l a t i o n b y T . D . L e e , C . N . Y a n g
a n d C . S . W u e t a l . i n i t i a t e d a g r e a t s u r g e i n p h y s i c s c o m m u n i t y . I j u s t
g r a d u a t e d f r o m u n i v e r s i t y a t t h a t t i m e a n d c o u l d n o t u n d e r s t a n d t h e d e e p
i m p l i c a t i o n o f t h e i r w o r k f o r m a n y y e a r s . S u c c e e d i n g t h e d i s c o v e r y o f n o n -
c o n s e r v a t i o n o f P ( p a r i t y ) a n d C ( p a r t i c l e - a n t i p a r t i c l e c o n j u g a t i o n t r a n s f o r -
m a t i o n ) , t h e n o n c o n s e r v a t i o n o f C P w a s f o u n d i n 1 9 6 4 w h e r e a s t h e C P T
t h e o r e m r e m a i n s v a l i d . W h a t d o e s i t m e a n ?
A c c o r d i n g t o t h e p o i n t ( a ) m e n t i o n e d a b o v e , I t h o u g h t i t s h o u l d b e a l s o
t r u e f o r t h e i n v e r s i o n . H e n c e , t h e n o n c o n s e r v a t i o n o f C , P , a n d T i n d i v i d -
u a l l y i m p l i e s t h a t t h e d e f i n i t i o n s o f t h e m a r e a l l i n t r o u b l e .
6 T h e t i m e r e v e r s a l i n Q M i s d o u b t f u l
Q u i t e e a r l y , I w a s d o u b t f u l o f t h e s o - c a l l e d t i m e r e v e r s a l ( T i n v e r s i o n ) . I t i s
s a i d a s f o l l o w s . F i r s t , o n e u s e s a c a m e r a t o r e c o r d a ( m i c r o s c o p i c ) p r o c e s s a n d
t h e n s h o w t h e f i l m i n r e v e r s e d o r d e r . I f t h e l a w o f p h e n o m e n o n l o o k s q u i t e
t h e s a m e a s t h a t s h o w n i n n o r m a l o r d e r , t h e n i t i s c a l l e d a s t h e i n v a r i a n c e
i n t i m e r e v e r s a l .
A c t u a l l y , i n Q M o n e f i r s t c h a n g e s t i n t o - t , t h e n p e r f o r m s a c o m p l e x
c o n j u g a t e t r a n s f o r m a t i o n t o g e t
5
"
- -
i h ¨"( ’!, - t ) = $¨"( ’!, - t ) ( 4 )
x x
"t
T h e r e f o r e , t h e s o - c a l l e d t i m e r e v e r s a l i n v a r i a n c e i m p l i e s t h e f o l l o w i n g
e q u i v a l e n c e a s s t r e s s e d i n R e f [ 3 ] :
¨( t ) <" ¨"( - t ) ( 5 )
x , x ,
w h i c h i s t h e p r e c i s e d e f i n i t i o n e x p r e s s i o n b y t h e m a t h e m a t i c a l l a n g u a g e . W e
c a n h a r d l y d e p e n d o n t h e c a m e r a t o s e e t h e m i c r o s c o p i c p a r t i c l e , l e t a l o n e
t o s e e i t w h e n t h e t i m e i s r e v e r s e d .
U s u a l l y , o n e f i n d s t h a t t h e e q u i v a l e n c e ( 5 ) d o e s h o l d i n t h e e i g e n f u n c t i o n
o f s t a t i o n a r y s t a t e i n Q M . N o w i t i s f o u n d t h a t t h i s e q u i v a l e n c e i s v i o l a t e d i n
t h e d e c a y o f n e u t r a l K a o n t o t h e e x t e n t o f 0 . 3 % . T o o u r k n o w l e d g e , n o w e l l
a c c e p t e d e x p l a n a t i o n i s f o u n d . B u t t h e f o l l o w i n g p o s s i b i l i t y i s n o t e x c l u d e d
t h a t t h e s o - c a l l e d C P v i o l a t i o n m a y b e s t e m m i n g f r o m a p h a s e a n g l e ´ i n
t h e s t a n d a r d m o d e l o f p a r t i c l e p h y s i c s . T h e a p p e a r a n c e o f ´ i s d u e t o t h e
e x i s t e n c e o f t w o k i n d s o f e i g e n s t a t e s t a t e u n d e r s t r o n g i n t e r a c t i o n a n d
t h a t u n d e r w e a k i n t e r a c t i o n .
I t s e e m s t o m e t h a t i f t h e a b o v e e x p l a n a t i o n c o u l d b e v e r i f i e d i n f u r t h e r
e x p e r i m e n t s , t h e n C P v i o l a t i o n , i . e . , n o n c o n s e r v a t i o n o f T r e v e r s a l d o e s d i s -
p l a y i t s e l f a s a v e r y s p e c i a l p r o b l e m i n p a r t i c l e p h y s i c s b u t h a s n o t h i n g t o d o
w i t h t h e b a s i c s y m m e t r y i n s p a c e - t i m e .
-
’!
A n y h o w , a f t e r t h e e s t a b l i s h m e n t o f S R , w e a r e a l l a g r e e d t h a t s p a c e x
a n d t i m e t a r e t r e a t e d a s e q u a l s a n d m u t u a l l y c o m m u t a t i v e . W h i l e t h e s p a c e
-
’! -
i n v e r s i o n i s d e f i n e d s i m p l y a s x ’! - ’! , w h y w e n e e d a n e x t r a c o m p l e x
x
c o n j u g a t e t r a n s f o r m a t i o n i n t h e d e f i n i t i o n o f t i m e r e v e r s a l ?
7 W h a t i s i m p l i e d i n t h e n o n c o n s e r v a t i o n o f
C i n v e r s i o n .
I t i s i n t e r e s t i n g t o s e e t h a t t h e r e i s a l s o a c o m p l e x c o n j u g a t i o n i n t h e d e f i -
n i t i o n o f C i n v e r s i o n ( c h a r g e c o n j u g a t i o n t r a n s f o r m a t i o n ) . I f i n a c c o r d a n c e
w i t h t h e d e f i n i t i o n , o n e p e r f o r m s C P T c o m b i n e d t r a n s f o r m a t i o n o n a f e r m i o n
o b e y i n g t h e D i r a c e q u a t i o n , t h e n o n e f i n d s t h a t t w o c o m p l e x c o n j u g a t i o n
t r a n s f o r m a t i o n s a r e c a n c e l l e d . E s s e n t i a l l y , o n l y o n e t h i n g i s d o n e , t h a t i s
- -
( ’! ’! - ’! , t ’! - t ) , [ 4 ] .
x x
6
A c t u a l l y s i m i l a r s i t u a t i o n o c c u r r e d i n R Q F T w h e n t h e C P T t h e o r e m
w a s p r o v e d b y m e a n s o f p r i n c i p l e o f S R . A t t h a t t i m e t h e i n v a r i a n c e u n d e r
- -
( ’! ’! - ’!, t ’! - t ) w a s c a l l e d a s i n v a r i a n c e o f s t r o n g i n v e r s i o n .
x x
T h e d e f i n i t i o n o f C s o u n d s a s i f i t c o u l d b e d i r e c t l y p e r c e i v e d . A f t e r
C i n v e r s i o n , t h e e l e c t r i c c h a r g e o f e l e c t r o n , e , i s c h a n g e d i n t o - e , t h e n a n
e l e c t r o n i s t r a n s f o r m e d i n t o a p o s i t r o n . T h e c o n c e p t b e h i n d t h e d e f i n i t i o n
i s t h a t e l e c t r i c c h a r g e i s s o m e t h i n g l i k e a f l u i d , a p o s i t r o n ( e l e c t r o n ) c a r r i e s
p o s i t i v e ( n e g a t i v e ) c h a r g e .
T h e d e f i n i t i o n o f C w a s q u i t e c l e a r - c u t t i l l 1 9 5 6 . T h e n t h e e x p e r i m e n t s
r e v e a l e d t h e n o n c o n s e r v a t i o n o f C i n v e r s i o n i n w e a k i n t e r a c t i o n p r o c e s s e s u p
t o 1 0 0 % . T h i s r e f l e c t s t h a t t h e d e f i n i t i o n o f C c e a s e s t o b e e f f e c t i v e , i t d o e s
n o t r e f l e c t t h e r e a l p h y s i c s . A c t u a l l y , t h e c o n c e p t t h a t c h a r g e i s s o m e t h i n g
l i k e a f l u i d i s n o l o n g e r v a l i d t h o u g h i t h a s b e e n e x i s t i n g f o r s o m e h u n d r e d
y e a r s .
e
I n t h e b e g i n n i n g o f t h e 2 0 t h c e n t u r y , t h e c h a r g e t o m a s s r a t i o ( m ) o f
a n e l e c t r o n w a s l o o k e d a s a c o n s t a n t i n p h y s i c s . H o w e v e r , t h e d e v e l o p -
m e n t o f p a r t i c l e p h y s i c s r e v e a l s t h a t b e i n g a m e a s u r e o f c o u p l i n g s t r e n g t h
e 2 1
o f e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r a c t i o n , t h e f i n e s t r u c t u r e c o n s t a n t e q u a l s t o
h c 1 3 7
1
a t l o w e n e r g y ( <" m e c 2 = 0 . 5 1 M e V ) a n d i n c r e a s e s t o a t h i g h e n e r g y
1 2 8
( <" m w c 2 C" 8 0 G e V ) . S i n c e c a n d h a r e u n c h a n g e d u n i v e r s a l c o n s t a n t s , e
i s n o l o n g e r a c o n s t a n t n o w . C o r r e s p o n d i n g l y , t h e l a w o f c o n s e r v a t i o n o f
e l e c t r i c c h a r g e ( w h i c h h a d m a d e h i s t o r i c a l c o n t r i b u t i o n w h e n M a x w e l l i n t r o -
d u c e d t h e d i s p l a c e m e n t c u r r e n t ) i s n o l o n g e r t r u e , i t s p o s i t i o n i n p h y s i c s i s
a l r e a d y s u b s t i t u t e d b y t h e l a w o f c o n s e r v a t i o n o f e l e c t r i c c h a r g e n u m b e r Q
q
( Q = ) T h e l a t t e r a l s o c o r r e s p o n d s t o t h e l a w o f c o n s e r v a t i o n o f ( e l e c t r o n )
| e |
l e p t o n n u m b e r L
A n e l e c t r o n h a s Q = - 1 , L = + 1 w h e r e a s a p o s i t r o n h a s Q = + 1 ,
L = - 1 . S o a c o r r e c t p a r t i c l e - a n t i p a r t i c l e t r a n s f o r m a t i o n h a s t o r e f l e c t a
t r a n s f o r m a t i o n b e t w e e n q u a n t u m n u m b e r 1 a n d - 1 .
S u r p r i s i n g l y e n o u g h , t h e r e w a s a h i n t i n c l a s s i c a l t h e o r y l o n g a g o . A n
e l e c t r o n i s m o v i n g u n d e r t h e L o r e n t z f o r c e o f e x t e r n a l e l e c t r i c a n d m a g n e t i c
f i e l d s . W h e n i t i s r e p l a c e d b y a p o s i t r o n , p e o p l e d e e m e d t h a t t h e d i r e c t i o n
o f f o r c e i s r e v e r s e d d u e t o t h e o p p o s i t e c h a r g e e ’! - e . H o w e v e r , t h e r e e x i s t s
a n a l t e r n a t i v e e q u i v a l e n t e x p l a n a t i o n . I t i s t h e m a s s r a t h e r t h a n t h e c h a r g e
w h i c h c h a n g e i t s s i g n . W e w i l l s e e b e l o w t h a t i t i s i n d e e d t h e c a s e i n q u a n t u m
t h e o r y .
7
8 M o d i f y t h e C P T t h e o r e m i n t o a p o s t u l a t e
T h e s e n s i t i v e r e a d e r s s u r e l y c a n g u e s s w h a t w e w i l l s a y b e l o w . T h e t r a n s -
f o r m a t i o n b e t w e e n p a r t i c l e a n d a n t i p a r t i c l e c a n n o t b e d e f i n e d s u b j e c t i v e l y .
-
’! -
I t s h o u l d b e a n a t u r a l c o n s e q u e n c e o f t h e o r y u n d e r t h e x ’! - ’!, t ’! - t
x
t r a n s f o r m a t i o n .
N o t e t h a t i n t h e a b o v e s p a c e - t i m e i n v e r s i o n , b e s i d e t h e s i g n c h a n g e o f
-
’!
b o t h x a n d t , n o c o m p l e x c o n j u g a t i o n i s n e e d e d , w h i l e t h e e l e c t r o n t u r n s t o
p o s i t r o n n a t u r a l l y . O f c o u r s e , t h i s i s a n e w b u t v e r y s i m p l e p o s t u l a t e . L o o k
a t t h e p l a n e w a v e f u n c t i o n o f a n e l e c t r o n :
i
- ’!
-
¨e - <" e x p ( ’! · x - E · t ) ( 6 )
p
h
-
’! -
( E > 0 ) , a t r a n s f o r m a t i o n x ’! - ’!, t ’! - t w i l l b r i n g i t t o t h e
x
w a v e f u n c t i o n d e s c r i b i n g a p o s i t r o n :
i
- -
’!
+ p
¨e <" e x p - ( ’! · x - E · t ) ( 7 )
h
-
’!
w i t h p a n d E ( > 0 ) b e i n g t h e m o m e n t u m a n d e n e r g y o f p o s i t r o n .
T o o u r k n o w l e d g e , E q s ( 6 ) a n d ( 7 ) w e r e f i r s t w r i t t e n d o w n b y S c h w i n g e r
e t a l . [ 5 ] . W e h a d s t r e s s e d i n R e f [ 6 ] t h a t t h e a b o v e p o s t u l a t e i s o f g r e a t
i m p o r t a n c e f o r t h e w h o l e t h e o r y o f R Q F T . W e s e e t h a t t h e c h a r g e n u m b e r Q
o r l e p t o n n u m b e r L i s n o w r e f l e c t e d i n E q s ( 6 ) a n d ( 7 ) a n d n o l o n g e r d e f i n e d
b y t h e o r d i n a r y l a n g u a g e . .
W h a t w e s a y i m p l i e s t h a t w e l o o k a t t h e C P T t h e o r e m a s a p o s t u l a t e ,
i . e . , l o o k t h e t h e o r y u p s i d e - d o w n . I n C P T t h e o r e m , o n e f i r s t d e f i n e d C , P
a n d T , t h e n p r o v e d t h e i n v a r i a n c e o f t h e o r y w i t h S R a s i t s p r e m i s e . N o w
w e c l a i m t h a t t h e d e f i n i t i o n o f s p a c e - t i m e i n v e r s i o n s h o u l d b e s i m p l i f i e d t o
-
’! ’!
x ’! - - , t ’! - t , t h e n t h e t r a n s f o r m a t i o n b e t w e e n p a r t i c l e a n d a n t i p a r t i c l e
x
f o l l o w s n a t u r a l l y , n o e x t r a d e f i n i t i o n i s n e e d e d .
C e r t a i n l y , t h e c o r r e c t n e s s o f t h i s p o s t u l a t e m u s t b e t e s t e d b y f u r t h e r
e x p e r i m e n t s . A s p o i n t e d o u t a t t h e e n d o f R e f [ 6 ] , o n e o f t h e c r u c i a l t e s t s i s
t h e d e r i v a t i o n o f S R f r o m i t .
8
9 T h e e s s e n c e o f S R i s a l s o t h e e s s e n c e o f
m a s s g e n e r a t i o n
S i n c e t h e e s t a b l i s h m e n t o f S R o n 1 9 0 5 , s o m e a u t h o r s h a v e b e e n t h i n k i n g t h a t
i f o n e c o u l d r e d u c e t h e t w o r e l a t i v i s t i c p r i n c i p l e s i n t r o d u c e d b y E i n s t e i n ,
i . e . , t h e p r i n c i p l e o f r e l a t i v i t y ( A ) a n d p r i n c i p l e o f t h e c o n s t a n c y o f t h e
s p e e d o f l i g h t ( B ) i n t o o n e p r i n c i p l e ? M a n y o f t h e m t h o u g h t t h a t A m u s t b e
n e c e s s a r y i n S R , i t i s s e l f e v i d e n t . S o t h e y t r i e d t o d i s c a r d B b y s o m e m o r e
r i g o r o u s a r g u m e n t . T h e h i s t o r i c a l f a c t s r e v e a l t h a t s u c h k i n d o f a t t e m p t
f a i l e d a g a i n a n d a g a i n . U n f o r t u n a t e l y , t h e y h a d u n d e r e s t i m a t e d t h e S R t o o
m u c h a n d t h e y e v e n d i d n t u n d e r s t a n d h o w E i n s t e i n d e r i v e d t h e m a s s - e n e r g y
r e l a t i o n E = m c 2 i n 1 9 0 5 .
O n t h e o t h e r h a n d , s o m e t h e o r e t i c a l p h y s i c i s t s s t i l l t h i n k t h a t w e k n o w
l i t t l e a b o u t t h e o r i g i n o f m a s s . I t s e e m s t h a t w e n e e d t o w a i t f o r f u t u r e
e x p e r i m e n t s w i t h m u c h h i g h e r e n e r g y . M e a n w h i l e , t h e y d o n t t h i n k t h e r e i s
a n y p r o b l e m a b o u t t h e e x i s t e n c e o f e s s e n c e i n S R .
I n o u r p o i n t o f v i e w , t h e m a s s - e n e r g y r e l a t i o n o r e q u a t i o n E 2 = m 2 c 4 +
0
p 2 c 2 h a d t a u g h t u s a l o t o f t h i n g s . N o t e t h a t t h e l a t t e r i s t h e r e l a t i o n o f a
r i g h t t r i a n g l e w h i c h i m p l i e s t h a t t h e m e c h a n i s m f o r g e n e r a t i n g t h e r e s t m a s s
m 0 i s p e r p e n d i c u l a r t o t h a t f o r g e n e r a t i n g t h e m o v i n g m a s s ( p / c ) .
O n t h e o t h e r h a n d , a c o m p o s i t e p a r t i c l e c o m p r i s e s m a n y c o n s t i t u e n t p a r -
t i c l e s ( m o l e c u l e s o r a t o m s ) , e a c h w i t h t o t a l m a s s t u r n i n g i n t o t h e r e s t m a s s
o f c o m p o s i t e p a r t i c l e . T h i s i s a f a c t w h i c h i m p l i e s t h a t t h e r e i s a c o m m o n
e s s e n c e o f m a s s g e n e r a t i o n a t t h e l e v e l d e e p e r t h a n t h a t o f t w o k i n d s o f m e c h -
a n i s m p e r p e n d i c u l a r e a c h o t h e r . I t m u s t b e t h e e s s e n c e o f S R a t t h e s a m e
t i m e .
M a s s i s s o m e k i n d o f p h e n o m e n o n a t l o w e n e r g y . L e t u s p i c k a p i e c e o f
a n y t h i n g a t h a n d . I t p o s s e s s e s a r e s t m a s s a n d i t s m a s s w i l l i n c r e a s e w i t h
i t s v e l o c i t y . W e s h o u l d a s k a q u e s t i o n a s f o l l o w s : W h y i t b e h a v e s l i k e t h i s ?
W h a t c h a n g e o c c u r s i n s i d e i t ? A s t h i s k i n d o f p h e n o m e n o n i s q u i t e g e n e r a l
a n d s i m p l e , s o t h e m a s s s h o u l d b e o r i g i n a t e d f r o m o n e ( n o t t w o ) l a w o f q u i t e
g e n e r a l , s i m p l e a n d s u b t l e n a t u r e , w h i c h i n t u r n i s a l r e a d y c o n t a i n e d i n t h e
k n o w n e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l k n o w l e d g e . T h e e x p e r i m e n t s w i t h m u c h
h i g h e r e n e r g y a r e n o t s o u r g e n t l y r e q u i r e d f o r t h i s p u r p o s e .
F o r e s t a b l i s h m e n t o f S R i n 1 9 0 5 , t h i s l a w w a s r e f l e c t e d i n p r i n c i p l e s A
a n d B . T h e y a r e i n d i v i s i b l e . . A s a m e t a p h o r i n a n c i e n t C h i n e s e s t o r y , E i n s t e i n
9
r a i s e d A j u s t l i k e h e p a i n t e d a d r a g o n o n t h e w a l l , t h e n h e a d d e d B
a s t h e e y e s o n t h e d r a g o n b e f o r e t h e l a t t e r c a n f l y o u t o f w a l l . A t t h a t
t i m e h e m u s t d i s c u s s e d t h e c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n b e t w e e n t w o i n e r t i a l
s y s t e m s w i t h r e l a t i v e m o t i o n . N o w t h e o b j e c t i v e c o n d i t i o n s a r e i m p r o v e d
m u c h b e t t e r , w e a r e a b l e t o a n d o u g h t t o d i s c u s s t h e p r o b l e m w i t h i n a f i x e d
l a b o r a t o r y s y s t e m . T h e n t h e e s s e n t i a l l a w o f m a s s c o u l d b e s u m m a r i z e d b y
t h e s t a t e m e n t m e n t i o n e d a b o v e . A l l k i n d s o f m a t t e r c o n t a i n t w o d e g r e e s o f
f r e e d o m o f b o t h p a r t i c l e a n d a n t i p a r t i c l e s t a t e s , w h i c h p o s s e s s t h e s y m m e t r y
-
’! -
o f m u t u a l t r a n s f o r m a t i o n u n d e r t h e s p a c e - t i m e i n v e r s i o n ( x - ’! - ’! , t - ’!
x
- t ) . W e d e n o t e t h e t w o k i n d s o f s t a t e b y ¸ a n d Ç, t h e n i t r e a d s :
- -
¸( - ’!, - t ) = Ç( ’!, t ) ( 8 )
x x
T h e s u b t l e t y l i e s n o t o n l y o n t h e s u p e r f i c i a l s y m m e t r y , b u t a l s o o n t h e
r e l a t i o n s h i p o f m y e x i s t e n c e i n s i d e y o u w h e r e a s y o u r e x i s t e n c e i n s i d e m e
. W h e n u s i n g E q . ( 8 ) a s a c o n s t r a i n t t o c o n s t r u c t t h e m o t i o n e q u a t i o n f o r
e l e c t r o n , w e o b t a i n t h e D i r a c e q u a t i o n . T h e n i t i s s h o w n t h a t t h e r e a r e b o t h
¸ a n d Ç i n s i d e t h e w a v e f u n c t i o n w i t h | ¸| > | Ç| . U n d e r t h i s c o n d i t i o n t h e
p h a s e o f b o t h ¸ a n d Ç i s l i k e t h a t s h o w n i n E q . ( 6 ) , n o t s h o w i n g t h e s y m m e t r y
( 8 ) e x p l i c i t l y . I f w e p e r f o r m a s p a c e - t i m e i n v e r s i o n t o b r i n g E q . ( 6 ) i n t o E q . ( 7 )
w i t h ¸ - ’! Çc , Ç - ’! ¸c a n d | Çc | > | ¸c | . N o w t h e i r p h a s e s a r e a l l l i k e t h a t
s h o w n i n ( 7 ) w h i c h d e s c r i b e s a p o s i t r o n .
W h e n I d i s c o v e r e d t h i s p o i n t i n c a l c u l a t i o n , I c o u l d n o t p r e v e n t m y s e l f
f r o m c r y i n g : H o w s u b t l e i t i s . N a t u r e i s f u l l o f d i a l e c t i c . T h e r e i s a s a y i n g
i n p h i l o s o p h y t h a t T h e p r o p e r t y o f m a t t e r i s d e t e r m i n e d b y t h e p r i n c i p a l
c o n t r a d i c t i o n , e s p e c i a l l y b y i t s p r i n c i p a l a s p e c t . H e r e i t i s p r e c i s e l y t h e
c a s e . E q . ( 8 ) m e a n s t h a t ¸ a n d Ç h a v e o p p o s i t e p h a s e e v o l u t i o n d i r e c t i o n s i n
s p a c e - t i m e . A s a m e t a p h o r t h e i n s t i n c t o f ¸ i s e a s t w a r d w h e r e a s t h a t o f
Ç i s w e s t w a r d . A n e l e c t r o n a t r e s t i s c o m p o s e d o f ¸ u p t o 1 0 0 % . O n c e i t
i s s e t i n t o m o t i o n , t h e i n g r e d i e n t o f Ç w i l l b e e x c i t e d c o h e r e n t l y . B e c a u s e
| Ç| <