追踪反物质发现史，反物质究竟是什么？以及反世界存在的可能性

我认为反物质的发现可能是本世纪物理学所有重大飞跃中最大的飞跃。”-沃纳·海森堡

要说宇宙中什么东西最神秘，莫过于我们这个世界的反版本。也就是我们常说的反物质，今天我们就来谈论反物质的发现史及其令人惊叹的特性和难以置信的神秘。让我们从以下几个方面开始追踪反物质之旅吧！

1. 数学解和物理解的关系
2. 反物质预言与发现的科学史
3. 反物质粒子的性质
4. 如果粒子和反粒子彼此靠近会发生什么？
5. 反物质世界存在的可能性
6. 结论——反物质能否被我们利用？

物理和数学是很好的朋友。物理依赖于数学来表达物理定律，而数学依赖于物理的大部分内容。在很多情况下，当我们的常识和直觉成为理解物理世界的障碍时，最好的办法就是依靠数学来指导我们来冲破常识的桎梏，例如，在理解量子粒子奇异的不合逻辑的行为时，我们可以相信数学比我们的直觉更准确地描述了现实。

但现实并不总是如此，有时候数学会做出一些没有物理意义的奇怪预测。比方说，你正在设计一个导弹发射系统。所以，你必须通过数学计算出正确的导弹飞行轨迹，可以使它击中正确的目标位置。为此，你需要求解这样一个方程y = ax^2+ bx + c来算出发射速度和发射角度。由于方程中含有x^2，所以导弹落地的点有两个解。在这两个解中，一个正确的解决方案将是物理方案，显示出导弹将以正确的方式被发射到正确的地点。然而，另一个解决方案会给你一个荒谬的答案:它会告诉你初始速度应该是负的，负值意味着你必须把导弹向后并直接射向地面(而不是空中)，意思是要穿地而过，这是一个正确的数学解，但不是正确的物理解，所以我们不得不抛弃它。

导弹根据两个数学解发射。

所以，在大多数情况下物理学家已经习惯了忽略那些在物理意义上似乎不合逻辑的数学解。并放弃非物理的解决方案，认为它们只是数学产物，并不是对我们宇宙的真正洞察。不过在科学的发展中总是被事实啪啪打脸，我们的直觉为何总是和真理相悖，这些不合逻辑的数学解中可能真的包含着诺贝尔物理学奖，反物质就是一个鲜明的例子。

保罗·狄拉克方程对反物质的预言

保罗·狄拉克

1928年，英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)正在研究描述电子高速运动的量子行为的方程式。这个时期也是物理学彻底颠覆我们对宇宙天真看法的时候。

• 一个是量子力学使我们在最低层次上重新思考现实的本质。
• 一个是著名的狭义相对论，它的复杂性足以给整个科学研究带来一场革命。

狄拉克也深受(量子力学和狭义相对论)的影响和熏陶，并通过使用它们，他发明了一个方程(称为狄拉克方程)描述快速移动电子的行为(电子薛定谔波动方程的相对论版本)。

狄拉克发现他的方程对于带负电的电子都非常有效，但是方程也适用于带相反电荷的电子。这意味着，他的方程表明物理定律不在乎电子到底带哪种电荷，所以对带正电荷的电子也同样适用，他称之为正电子。这种反电子在许多方面与电子相似:它有相同的质量和量子特性，只有电荷相反。以前从未观察到这样的粒子。

这就到了我上文提到的正负数学解发射导弹的问题，一些物理学家可能会试图把这个结果当作数学假象或负解来忽略。但是狄拉克很感兴趣，因为这些并不是禁止反电子存在的物理定律。在正电子还没发现的时候，狄拉克根据自己的方程进一步提出所有粒子都有相应的反粒子。因此，因此他不仅预言了一种新的单一粒子，而且预言了一种全新的粒子。综观物理学史这种大胆的真知灼见往往都能接近真理，也能接近诺贝尔奖，这给了我们生活一个启示，下次我们遇见新的事物和看法一定先要大胆接受，回去慢慢分析研究，切记不能武断，物理学家们给我们上的课已经不少啦。

在1932年，一位物理学家卡尔·安德森发现了真正的反电子并命名它们为“正电子”。这证明了狄拉克的预言。狄拉克于1933年获得诺贝尔物理学奖，安德森于1936年获得该奖。查尔斯·珍妮特在1929年甚至提出了一个完整的反物质周期表。目前，我们已经发现了几乎所有亚原子粒子的反版本。

• 反物质的想法并不是很新，这些想法出现在过去的一些理论中。

“反物质”一词最早是由阿瑟·舒斯特尔在1898年为《自然》杂志撰写的文章中使用的，他在文章中创造了反物质一词。他推测了反原子的存在，还假设了整个反物质太阳系的存在。他还讨论了物质和反物质相互湮灭的可能性。他的想法不是一个理论和数据作为支撑，只是一种推测和猜想。他还认为反物质应该具有“负引力”。所以，狄拉克的想法并不是很新。但是他给出了完整的数学理论支撑，使得反物质存在更加可信。

反物质粒子的性质

欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机欧洲核子研究中心

事实上，科学家现在已经观测到反粒子很多次了。目前，我们所知道的几乎每一个带电粒子都被证实具有反粒子。反粒子很容易通过粒子碰撞形成。在欧洲核子研究中心，每年都会产生几微克的反粒子。来自太空与大气碰撞的宇宙射线有时也含有反粒子。

反粒子是我们在物理学在微观层面中发现对称性的一个很好的例子。你可以想象粒子和反粒子是同一枚硬币的两面。粒子的副本也以不同的方式存在:每个亚原子粒子也有两个较重的表兄弟。例如，电子有μ介子和τ粒子与电子具有几乎相同量子特性(如电荷和自旋)，但它们得质量更大。所以我们看到，电子有两个更重的表亲和一个反粒子。当然，较重的表兄弟μ介子和τ粒子也有他们的反版本。

根据一种被称为“超对称性”的推测理论，每个粒子都有另一种镜像——“超粒子”，它与原始粒子非常相似(相同的质量、电荷等)，但具有不同的量子自旋。所以我们看到物质粒子充满了双胞胎，堂兄弟甚至克隆体。

那么问题来了:为什么会有这两个版本的粒子存在？我们为什么不在日常生活中观察它们呢？

如果粒子和反粒子彼此靠近会发生什么？

物质和反物质的湮灭|小游戏

如果一个外星人降落在你家后院草坪上，当你伸出手臂表示欢迎时，先拿一个小物件仍它一下，如果发生了爆炸，那么外星人很可能是反物质构成的。如果不是,那么您可以继续把它带给你们领导。”-尼尔·德格拉斯·泰森

在科幻小说中，我们看到许多不可思议的物理现象诞生于作者的想象之中，但大多数东西(如时间旅行、瞬间移动、比光旅行更快等)。)在现实生活中是不存在得。就像科幻小说描述得一样，据说当一个粒子接触到它的反粒子时，它们会爆炸？

这一点确实没有虚构，实际上事实证明这是真的。当双胞胎(粒子和反粒子)相遇时，他们不仅仅拥抱在一起，他们还会彻底摧毁对方。它们的质量完全转化为高能粒子，比如光子或者胶子，不会留下原始粒子的任何痕迹。这个过程叫做“湮灭”。这不仅发生在电子和正电子上，而且发生在夸克与反夸克碰撞或者μ子遇到反μ子的时候。

正负电子湮灭

正反物质湮灭释放的能量非常高，因为质量储存了大量的能量。爱因斯坦的著名方程E=mc^2表明质量和能量是相互关联和相互转换的。如果一克反粒子与一克正常粒子结合，就会释放出超过4万吨的爆炸力，相当于二战中使用的原子弹威力的两倍多。

粒子在湮灭时实际上不会互相接触。它们实际上也不是我们想象得小球，而是量子力学物体。他们没有任何表面。当两个粒子(粒子和反粒子)彼此靠近时，你可以把它们的量子力学想象成合并，两个粒子消失在另一种形式的能量中(最有可能是光子)。从这种能量中也可能出现各种类型不同的粒子。这正是我们每天在大型强子对撞机上粉碎粒子以创造新型粒子时所发生的事情。

这实际上提出了一个观点，即所有粒子碰撞都会导致原始粒子湮灭成新粒子。但是粒子和反粒子相互作用的区别在于它们是彼此的镜像，电荷相反。所以它们对彼此有很强的吸引力，更容易发生碰撞。它们也是完美的互补，碰撞后湮灭成中性的东西(比如光子)，不会产生新的粒子。

应该记住的另一件事是，当粒子相互作用(碰撞)时，电荷不可能凭空产生，也不可能被摧毁。碰撞前后粒子的总电荷必须相同。为什么会这样？我们目前还不知道。我们只是在现实生活实验中观察到了这种模式，并将这些规则纳入了我们的理论。

反原子结构与|原子核电结构的比较

当电子和正电子彼此靠近时，它们相反的电荷(+1和-1)将它们拉向对方，在它们碰撞后，相反的电荷完全抵消了对方，让它们所有的存在痕迹完全消失。

如果我们加速其他带相同电荷的粒子碰撞，这就不会发生湮灭。例如，如果我们抽离两个带电荷(-1和-1)的电子，作为一个整体，电荷-2必须守恒，这将不允许电子完全湮灭，碰撞后并可能产生一些新的带电粒子。

你可能会问，电荷不是唯一需要守恒东西。如果我们需要两个电荷相等和相反的粒子，电荷为-1的电子和电荷为+1的反μ子能湮灭吗？答案是不能。在我们的宇宙中还有另一个关于湮灭的定律，那就是“电性”和“介子性”(基本上是量子性质)必须守恒。我们不能用非电子摧毁电子。它只会对它的反粒子正电子起作用。对电子的表兄弟μ子和τ来说也一样。

反物质和我们反版本的可能性

反物质构成的地球，可能吗？

我们看到，反粒子和正常粒子是一样的，可以互相湮灭，将整个质量转化为能量。事实也证明，就像普通粒子一样，反粒子可以自我组装形成反版本的更复杂的粒子，如质子和中子。例如，如果我们取两个反下夸克和一个反上夸克，并把它们结合起来，我们就有可能产生一个反中子。这种反中子仍然像普通中子一样是电中性的，但是它的内部将由反粒子组成。同样，我们可以通过组合两个反上夸克和一个反下夸克来制造一个反质子，这与质子相似，但带有负电荷。

反水

在此之后，我们可以更进一步，创建更复杂的结构。一旦我们有了反中子、反质子和反电子，我们就有可能制造出反原子!如果我们把一个反电子和一个反质子放在一起，反电子就会绕着反质子转，我们就会得到一个反氢原子!同样地，如果我们聚集了足够的反粒子我们就能制造出任何东西的反版本。例如，如果我们把两个反氢原子和一个反氧结合，我们可能会得到反水。这种水会有和普通水一样的感觉和物理特性。但是如果我们喝了它，这并不会让我们感觉到清爽透心凉，而是爆发出大量的能量。

再进一步，我们可以找到任何东西的反版本，甚至是蛋白质和DNA。如果发生这种情况，你可能会发现一个反地球和一个反你的人，除了那个反他/她是由反物质组成的(再考虑到无限宇宙中任何事物的可能性)，他/她可能和你长得一模一样，也许反他/她就是你。

事实上，如果我们是由反粒子组成的，那么我们就把它叫做“物质”，而把普通粒子叫做“反物质”。这些只是任意的名字，没有别的。没有谁愿意把自己的东西很“反”挂钩。反外星人也称它们是由正物质构成的。

但是，所有关于反物质的讨论提出了一个问题:这些反物质在哪里？（下篇文章会讲）

结论——反物质能否被我们利用

一切都是从无中生有中创造出来的，为了保证能量守恒。宇宙中也应该存在反物质和我们物质世界对立。那关于能量，我们能有一种能消耗常规能量的反能量吗?没有发现任何类似的东西。能量被认为是中性的，并且它也被推测在更高的维度中泄漏(我们会再后面的文章讨论这个话题)。我们还没有观察到反光子，和反版本的光。

反物质宇宙飞船

现在回到反物质。物质和反物质中储存的能量非常高。我们可以从反粒子湮灭中产生大量能量。这导致我们的工程师推测这种能量可以用来驱动宇宙飞船。反物质驱动的宇宙飞船可能是探索这个巨大而神秘的宇宙的有效方法。然而，美国宇航局警告这个想法有一个巨大的陷阱:一毫克反物质大约要花费1000亿美元。同样，创造反物质需要巨大的能量，超过我们从反物质反应中得到的能量。因此，目前在经济和技术上实施这一想法是不可行的。

但是这并没有阻止美国国家航空航天局和其他机构努力改进技术，使反物质航天器成为可能。然而，据推测，在未来大约40-60年内有可能使用反物质。

“上帝创造了…光明与黑暗，天堂与地狱;科学说法一样的宗教,宇宙大爆炸创造了宇宙中的一切相反,包括物质,反物质。”——丹·布朗

关于反物质还有很多的秘密:为什么宇宙选择了正物质？我们在哪里可以找到反物质？中立的事物有反版本吗？反物质的时间维度颠倒了吗？重力将如何作用于反物质？

我们将在下篇文章中回答所有这些有趣的问题。最后提醒各位：小心反物质和反你！