神秘莫測的反物質

反物質這個詞，相信大家應該都不陌生，雖然它聽起來和宇宙一樣深邃莫測，但是，就算它再神秘，也還是被科學家們窺探到了冰山一角。現在，請讀者們隨我一起，追隨著先人的腳步，揭開反物質的神秘面紗。

在1929年，英國著名物理學家保羅·狄拉克提出了一個著名的方程–狄拉克方程。要說明這個方程，就不得不提到另一個方程–薛定諤方程。在量子力學領域，它用來描述粒子位置在某個位置的概率。但是，薛定諤方程是為了滿足量子力學而提出的，是非相對論的，這就遭到了別人的質疑。他們說“你看量子的物體，例如電子，運動速度非常快，接近於光速，你用非相對論形式不合適啊，應該把它改成相對論形式才對啊”。那麼是誰完成了這項工作呢?答案就是狄拉克，他將薛定諤方程進行了相對論化，建立了狄拉克方程。

狄拉克方程

狄拉克方程剛問世的時候普遍被科學家們看好。但沒過多久，人們便發現這個方程有一個十分令人費解的問題，就是當你根據這個方程求解時，會發現電子的能級存在負能級。當時人們的普遍認識是，電子只能處於n=1的基態，到n=3的第二激發態，如果說電子存在n=-1的負能級的話，你怎麼證明呢?為了解釋這個問題，狄拉克提出了一種觀點。他說，負能級確實是存在的，觀測不到是因為在負能級上面，有電子將其填滿。根據泡利不相容原理，每一個能級上可能存在一對電子，負能級非常多，電子也非常多，於是狄拉克就將其命名為狄拉克海，並指出狄拉克海就是我們所說的真空。

按照狄拉克的說法，狄拉克海（真空）由負能級和電子組成，電子帶負電，而真空不帶電，那麼負能級就理所當然的帶正電。這時如果我們入射一段電磁波，負能級的電子就有可能吸收能量跑到高能級去，這樣真空中就只剩下負能級，而且它還帶正電，那這個東西究竟是什麼?狄拉克起初認為它是質子，但是遭到了其他科學家否認。如果它是質子，那麼負能級的質量應該等於電子的質量，而科學家們通過計算，發現二者質量不相等。在1931年，狄拉克承認了負能級不是質子，並給負能級取了另一個名字–反電子。

電子

在真空環境下，我們加上電磁波，也就是能量，就可以變成電子和反電子；那我們反過來想，假設有一個負能級上沒有電子，高能級的電子也可以躍遷回負能級，併發出電磁波（能量）。也就是說，真空＋能量電子＋反電子，這個過程是可逆的，電子和反電子結合，可以釋放出能量，這個過程叫做正負電子的湮滅。最重要的一點，正負電子湮滅所釋放的能量的效率是100％！

其實，最早設想反物質的並不是狄拉克。早在1898年，就有一名叫舒斯特的科學家，他給《Nature》了一封信，裡面就提到了“反物質世界”這一假說，然後才是狄拉克發現反電子。但還有一位科學家，他在不知道狄拉克理論的前提下，於1932年獨自發現了正電子，這個人就是美國科學家安德森，那麼他又是如何發現正電子的呢?（反電子其實就是正電子，只不過命名的人不同）

在當時，科學家們探測粒子主要使用的工具是威爾遜雲室，就是在一個容器裡有過飽和蒸汽，此時射入粒子，在粒子運動軌跡上就會出現液化的小液滴，如果再加上磁場的話，粒子就會發生偏轉，就可以判斷粒子的電性。安德森就用這個方法去觀察一些宇宙射線，他發現有一些宇宙射線在磁場中會向右偏轉，根據磁場相互作用，安德森判斷它帶正電，他的老師說這是質子。但安德森不相信，因為質子能量比較大，經過雲室形成的軌跡比較粗，液化小液滴也比較多；但是他所觀察到的軌跡是非常細的，所以安德森懷疑它是電子，但電子怎麼能帶正電呢?

威爾遜雲室示意圖

安德森想，也許這束粒子不是從上往下走的，而是從下往上走，這樣它的運動軌跡偏轉一樣，帶負電也就合情合理。為了驗證這一想法，他拿一塊鉛板放在磁場中間，粒子穿過鉛板後速度會變小，在磁場中的迴旋半徑就會增大。經實驗，他發現鉛板下半部分的粒子軌跡出現大幅度偏轉，證實了這束粒子確實是從上往下運動的，而且它是帶正電的電子，安德森將其取名為正電子，他也因此獲得了諾貝爾獎。

安德森雲室實驗 粒子穿過鉛板軌跡

既然電子有反粒子，其他粒子有沒有呢，答案是肯定有的。1955年，意大利物理學家塞格雷，美國物理學家張伯倫發現了反質子；1956年美國物理學家考克發現反中子。那麼現在，反電子、反質子、反中子都有了，理論上它們就能組成反物質，但這卻隔了很長時間，直到1995年，在歐洲核子中心CERN，瓦爾特領導他的團隊成功製作了反氫原子，花費了大量財力物力。有人估算過，製造1克反物質大概需要上萬億美元，那1克反物質與正物質進行湮滅的時候能產多大能量呢?根據E=MC²，可以算出1克反物質大概相當於4.3萬噸TNT炸藥爆炸的能量。和反物質比起來，核能根本不值一提。