什么是反物质？有没有负质量？

一提到反物质，很多人的第一反应是，它是质量为负的物质，与物质相遇即同归于尽。

正反物质的湮灭

这个听起来很“科幻”，但其实并不正确。

反物质并不是“负质量的东西”，它和普通物质在质量上完全一样，只是在某些关键性质上恰好相反。

什么性质相反呢？我们从最熟悉的粒子说起。

电子带负电，而它的反粒子——正电子——带正电；质子带正电，它的反粒子——反质子——带负电。除了电荷相反之外，这些粒子的质量、自旋等基本性质却完全相同。

电子、质子和中子及其反粒子

所以，反物质最核心的特点是：它是由反粒子组成的物质，与普通物质的质量相同，但电荷等内部对称性决定的量子数的符号相反，除了电荷之外，还包括重子数、轻子数等。

按照现代量子场论，一切场粒子都有反粒子，包括夸克、轻子和传递相互作用的中间玻色子。特别的，凡是由夸克构成的物质粒子——即重子和介子，都存在与自身不同的反物质粒子，例如质子、中子和π介子等。注意，虽然中子不带电，但反中子是另一个粒子，因为构成中子的三个夸克都存在与自身不同的反夸克。

氢原子和反氢原子

光子比较特殊，它的反粒子就是它自身。中微子更特殊，它的反粒子可能是自身，也可能不是，目前还在研究中。

那么，反物质是怎么被提出并发现的呢？

反物质并不是凭空设想出来的，它的起源可以追溯到20世纪初物理学的一次重大理论突破。

保罗·狄拉克（1902~1984）

1928年，英国物理学家狄拉克（Paul Dirac，1902~1984）试图解决一个当时非常棘手的问题：如何把量子力学和相对论统一起来，正确描述电子的行为。经过一番推导，他得到了一个全新的方程——狄拉克方程。

这个方程有一个出人意料的结果：电子的能量不仅可以是正的，还可以是负的，即 这让狄拉克陷入困惑。因为如果负能量状态真的存在，电子就会不断“掉”到更低的能量中去，最终能量趋向负无穷，整个世界将不稳定。但现实显然不是这样。

为了避免这种灾难，狄拉克提出了一个极具想象力的解释。他设想：

所有负能量状态早已被电子“填满”，形成一个看不见的“海”。

这个想法后来被称为“狄拉克海”。

狄拉克的“狄拉克海”想法

由于泡利不相容原理，电子不能占据同一状态，正能量电子无法再掉进这些已经被填满的负能态的海中，因此系统保持稳定。

更精彩的地方在于，如果这个“海”里某个位置缺少了一个电子，会发生什么？

狄拉克发现，这个“空缺”在物理上表现为一个带正电、具有正能量的粒子。

换句话说：电子的“缺位”看起来就像一种全新的粒子。

狄拉克据此大胆预言：世界上应该存在一种与电子质量相同、但电荷相反的粒子，这就是狄拉克的反物质的猜想。

卡尔·安德森（1905~1991)

1932年，美国物理学家安德森（Carl Anderson，1905~1991）在宇宙射线实验中观测到这种粒子——正电子。它的轨迹在磁场中弯曲方向与电子相反，但曲率完全一致，说明它的质量和电子相同、电荷相反。

赵忠尧（1902~1998）

必须指出的是，1929年，中国著名物理学家赵忠尧最早发现了正电子存在的证据，所以他被称为是最早发现反物质的科学家。

反物质的发现，是理论物理学历史上的一个经典高光事件，因为它意味着，一个纯粹从数学方程出发的理论预言，被实验精确验证。

那么问题是，既然正反物质粒子互为反物质，为什么它们的质量却是一样的？且都是正的呢？

关键在于，不同物理量的性质并不一样。

像电荷、轻子数这类量，本质上决定粒子如何参与相互作用，它们可以在某种对称变换下取反。

而质量则不同，它与粒子在时空中的运动有关，是一个更“基础”的量。如果真的允许负质量存在，会带来严重问题。

例如在经典力学中，力与加速度的关系是牛顿第二定律，即 若质量为负，物体的加速度方向将与受力方向相反，这会导致系统出现无法控制的自发加速（runaway motion）。

什么是自发加速呢？我们来举例说明。

根据万有引力定律，质点之间的引力如下为 其中 是指向施力物体的单位向量。

对正质量的物体之间，显然力都是指向施力物体的，也就是吸引力。

但现在不一样了，A是正质量（ ），B是负质量 ，假设A在左边，B在右边，如下图所示。

质量等值反号的小球

根据万有引力公式，A受到B的力是向左的，也就是排斥力；B也是一样，它受到A的同样大小的排斥力，向右。

对A物体来说，它的加速度为 显然它的方向向左。

但对B物体来说，由于它的质量为负，它的加速度竟然与它受到的力相反，也就是说，它的加速度也是向左的。

于是，神奇的事情就产生了，两者竟然都向左加速！而且由于加速度大小一样，这使得它们一起向左加速，彼此间的距离不变。

自发运动示意图

这就是所谓自发加速，它的特点是：没有外力、没有外界输入能量、却不断加速！

这显然违反了能量守恒和动量守恒定律，是不可能发生的！

因此，反物质之所以不是负质量，是因为质量并不是那种可以“取反”的量，而且负质量会破坏整个物理理论的稳定性。

在更深层的理论中，还要求系统的总能量必须有一个最低值。如果质量为负，就可能导致能量无限降低，系统不断释放能量而无法稳定，这与现实世界显然不符。

现在，我们对反物质的理解已经比狄拉克时代更加清晰。

在现代量子场论中，不再需要“狄拉克海”这样的图像，而是认为：

(1) 每一种基本粒子，都对应一种反粒子，它们质量相同，电荷等相互作用性质相反。

(2) 当粒子和反粒子相遇时，它们可以发生“湮灭”，释放的是粒子静质量对应的能量，通常以光子的形式。

未来的反物质武器

值得指出的是，有人可能认为正反物质湮灭中，电荷发生中和了，但实际上，正反物质的湮灭与电荷的中和完全不同。

电荷中和虽然也会放出能量，但它的规模小多了，因为它只是源于二者之间的电势能；而正反物质的湮灭甚至比核弹的威力还要强太多了，因为它源于物质质量的彻底亏损！

假想未来某一天，有外星人在入侵人类的路上，若已知外星人是正物质，那么只要向它们发送一颗反物质球体，就能让它们彻底消失。

参考文献

https://januscosmologicalmodel.com/negativemass

来源：物含妙理

编辑：77

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