作為物理學的一種概念和一種思想,反物質早在1898年就曾被英國科學家舒斯特( 1851～ 1934)大膽 地作過預言,他認為既然物質是由帶正、負兩類電荷組成的,那麼物質也應該有正反兩種.他甚至預言,在宇宙空間可能存在著反物質組成的恆星和星雲.然而舒斯特的預言沒有科學論證,僅是一種臆測.後來狄拉克對反物質的預言作出了嚴格的理論論證 .
1928年元月,狄拉克用四行四列矩陣代替泡利的 二行二列的δ矩陣後,成功地把非相對論性的薛定諤方程推廣於相對論情況,得到了著名的狄拉克方程 .這一方程立即帶來了四項偉大的成就: ①電子的自旋是狄拉克方程的自然推論,而不像薛定諤方程需要人為的加上去;②電子的磁矩值可以直接從方程得到; ③應用到氫原子時方程能夠自動得到氫光譜精細結構的索末菲公式;④可以計算出光和相對論性電子的相互作用.這四項成就表明,狄拉克方程將量子力學中原來各自獨立的主要實驗事實,統一到一個具有相對論性不變的框架裡 .
但是,在取得這些巨大成就的同時,也出現了一個嚴重的困難,這就是負能態之謎.由狄拉克方程可以得出,電子應當有四個內部狀態 ,於是其能級應該是非相對論性解的四倍.薛定諤方程引入自旋後 ,能級值變成二倍 ,但這是人為引入的,顯得十分不自然. 狄拉克方 程改變了這種不自然的狀況 ,自旋是方程的一個自然 推論 .但是 ,還有兩個狀態意味著什麼呢? 經過苦苦思 索後 ,狄拉克認為這種狀態數加倍的原因是因為存在 負能量 .負能量概念的產生 ,在物理學思想史上是一件 非常有趣而又令人深思的事件.根據相對論中能量與動量之間的聯繫式
可以得到 ：
在經典物理學中 ,負值肯定會被認為是增根而舍 去 .最開始 ,狄拉克也認為 E 的負值應該排除 ,但是 , 後來他有新的看法 ,他認為在量子力學中不能將負值作為增根刪去 ,相應於負的能量值的解應當具有物理 意義.這樣 ,每一個自旋方向都有 E的兩種解 ,粒子總 共就有 2× 2= 4個內部狀態.可是 ,說電子具有負能狀 態 ,這不僅過分離奇而且會引出很多佯謬.
首先 ,由於負能級沒有下限存在 ,原子結構的穩定 性成了問題.因為根據量子力學原理 ,力學量可以從一 個值不經中間值而跳到另一值 ,這樣 ,一個處於正能態 的粒子就可以無限制地向更低能級跳躍 ,好像在無底 的深淵裡不斷往下落 ,原子就不可能穩定.這顯然與事 實不相符 .其次 ,有了負能態的電子 ,其行為將無法解 釋.對一般電子 ,當它與其他粒子相碰損失能量後 ,它 可以躍遷到負能級並不斷加速 ,直到它的速度等於光 速 ,這與相對論又發生了衝突 .
這些佯謬引起了嚴重困難 ,到 1929年 12月 ,經過 一年多的艱難探索 ,狄拉克提出了一種新的真空理論 , 即所謂“空穴理論”來防止電子的災難性加速. 在狄拉 克提出新理論之前 ,真空被視為極其簡單的基態 ,是純 粹的一無所有的虛空 ,具有高度的對稱性 ,即使是非相 對論量子力學 ,也是這樣看待真空的.但按狄拉克的理 論 ,真空並非純粹的“虛無” ,而是所有電子負能態的 “空穴”都被電子填滿 ,形成一種所謂“負能態的電子海 洋” ,與此同時 ,正能態的能級都是空著的 .這也就是說 真空是負能態填滿而正能態真空的狀態 ,是能量最低 狀態.
為什麼這種真空理論能解決電子的災難性加速 呢?由泡利不相容原理可知 ,每一確定的電子狀態只能 容納一個電子 ,那麼 ,負能態的空穴既然已被電子填 滿 ,那麼正能態電子理所當然就不能再往負能區域躍 遷 ,這就保住了原子的穩定性.在負能態的海洋中 ,如 果有一個電子受到激發而躍遷到正能級 ,這一過程可 以看成是正能態電子從正能級躍遷到負能級的反過 程 ,因而負能級電子從“真空”躍遷到正能級後在負能 級留下的空穴 ,就相當於一個具有正能量的電子 ,這個 空穴就是反物質概念的原型 .
雖然狄拉克用純數學的方法對電子自旋和磁矩的解釋非常成功 ,同時也用數學方法推出了新的粒子 ,但 絕大多數著名物理學家都對狄拉克的理論持懷疑態 度 .
1931年 5月 ,狄拉克雖然接受了許多批評 ,但硬 著頭皮說: “如果存在一個空穴的話 ,它將是一種實驗 物理尚不知道的新粒子 ,它具有與電子相同的質量和 相反的電荷” .狄拉克最初將這個預言中的新粒子叫 “反電子” ,後來安德遜稱它為“正電子”. 1932年 8月 ,美國物理學家安德遜在宇宙射線中 發現了正電子 , 9月他在《科學》雜誌上公佈了這一發 現 .這一發現具有極其重大的意義 ,他證實了狄拉克的 真空理論和反物質的概念 ,人類對物質世界的認識至 此又完成了一次大的飛躍 .
正電子發現後 ,科學家們又發現了質子的反粒子 —— 反質子 ,接著人們又先後發現了中子、介子、超子 等其他粒子的反粒子.由此可見 ,研究對象進入核內層 次 ,從而使得直觀性幾乎徹底喪失 ,數學抽象就作用越 來越重要了.
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