我在 《漫谈暗能量与反物质 （中）》（见 《科普时报》 2020 年 1 月 17 日第 3 版》 中写道：长期以来，反物质一直是科学界备受关注的焦点，尽管小说 《天使与魔鬼》 中的“反物质弹”尚不存在，但物理学家已使用强大的核粒子加速器，制造出了极小量的反物质用于研究。
那究竟什么是反物质呢？
让时间回到1898年，德国物理学家阿瑟·舒斯特在致《自然》的一封信中，首次提出了反物质的概念，他认为世间存在反原子，甚至由反物质组成的太阳系。这在当时虽然好似科幻一般，却被严肃的权威科学杂志刊登了出来。
漫谈暗能量与反物质（下）
文 | 陈思进
上个世纪初的1905年，爱因斯坦提出了侠义相对论，指出其实时间和空间并非绝对，而是相互联系的。举个最简单的例子，如果一辆车以速度“V0”行驶，同时车上有一个人以速度“V1”行走，那么这个人相对地面速度“V人”是多少呢？这要分两种情况来分析了：
第一种情况是在非相对论、即经典力学的情况下，“V人= V1+V0”。要是车速是光速、人相对车的速度也是光速，那么V人就等于二倍的光速。这种变化就是所谓的“伽利略变换”，在经典力学中，采用以在两个只以均速相对移动的参考系之间的变换方法，属于一种被动态变换；
第二种情况就是在相对论中，大家知道物体速度的极限是光速，那么人相对于地面的速度，就要用“洛伦兹变换”了（这儿就不显示其数学形式了）：如果V0和V1都远小于光速，这与经典力学类似；但是，如果V0和V1接近光速的话，从洛伦兹变换公式可以看出，只要它们的速度不超过光速，最后的结果，即人相对地面的速度就不会超过光速。也就是说，在相对论中，即使这个人在一个光速的车上奔跑，人相对地面的速度也不会超过光速。
接着，量子力学出现了，我在之前的文章中介绍过，在量子力学中有个波函数的概念——即薛定谔方程，但这个方程还是用了非相对论的形式。那么问题来了，量子的速度都非常快，如电子的速度接近光速。好像不太对了，应该改为相对论形式了吧。
于是到了1929年，量子力学的另一位奠基者、英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac），提出了著名的狄拉克方程（也不显示其数学形式了）。在这个方程式中，狄拉克采用洛伦兹变换对薛定谔方程进行了相对论化处理，使其既能满足量子力学，又能满足相对论——上个世纪人类两个最伟大的贡献，可见其有多么的重要！
狄拉克方程比薛定谔方程更精准，使那个波函数也能满足相对论了，真是皆大欢喜。但“好景不长”，科学家不久就发现了这个方程中有bug——一个非常严重的反直觉问题！如果根据这个方程去求解，将发现电子会存在负能级。也就是说，这一方程不仅会解出电子的正能级，还会出现负能级！这在当时，是科学家是无法接受的！
起初，狄拉克以为负能级就是质子。但是，奥地利理论物理学家、量子力学研究先驱沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）、以及海森堡，通过计算发现，这个负能级并非质子，而且其质量和电子完全一样。
到了1931年，狄拉克也认同负能级不是质子，并给这个负能级起名“反电子”，因其质量和电子完全一样，而它的电量虽然和电子电量相等，但却是反号的正电荷。这就是狄拉克最早提出的反粒子，即反电子（它跟电子反号），而且电子和反电子可以合成变为真空和能量。也就是说，电子和反电子合起来的话可以放出能量，这个过程就叫做“负电子的湮灭”，湮灭了之后，电子和负电子一起消失，变成真空，能量却释放了出来。
这个电子运动的相对论性量子力学方程，预言了“反物质”的存在，为物理学世界开拓了一个“新大陆”！
于此同时，美国物理学卡尔·安德森（Carl Anderson）在云室的轨迹中，发现了一种质量与电子相当，不过却带有正电荷的新粒子——正电子。这一发现在1932年公布，恰好证明了狄拉克对于存在“反物质”的预言。正由于这一发现，安德森获得了1936年的诺贝尔物理学奖！
到了1955年，犹太裔意大利-美国物理学家埃米利奥·塞格雷（Emilio Segrè），与欧文·张伯伦一起发现了反质子，而共同获得1959年诺贝尔物理学奖（上文也提及了）；一年后，美国物理学家布鲁斯·考克（Brian Cox）在劳伦斯伯克利国家实验室又发现了反中子。
就这样，反电子、反质子、反中子都被发现了，因为物质的基本结构是原子，那么它们就能构成反物质了。
转眼间到了1995年，由德国物理学家、于利希研究中心教授瓦尔特·厄莱尔特（Walter Oelert）领导的团队，在欧洲核子研究中心得到了9个反氢原子！
千万别小看这9个反氢原子，有了它们就能生产出反其它的原子，so on and so forth……便能构成一个反世界了。不过，生产反物质成本太高了，据科学家推算，当下生产一克反物质需要上万亿美元！ 不过，普遍相信，随着时间的推移，这个代价会不断下降的。
那么反物质又有什么用呢？
科学家认为，一旦我们能生成稳定的反物质，便完全可以控制物质，可以令物质变成能量，再让能量转化为物质。如果我们能控制反物质，进而就能控制时间了，说不定真可以让时间倒流了。那么我们就能无惧暗能量，更不必在乎我们的宇宙可能的大撕裂了！
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