宇宙中的完美能源，核聚变在它面前就是渣渣，它是怎么被发现的？

最近科学家准备开始验证所谓的镜像宇宙，很多人也会想到科幻电影里面的反物质武器、反物质空间，甚至飞船以极高速度穿越星际。

那么反物质到底是什么？要介绍反物质，首先得从一个人说起，他就是英国物理学家保罗·狄拉克。狄拉克最早提出了反物质的概念，也就是狄拉克反粒子。

人类的梦想是星辰大海，而星际航行最绕不开的就是能源。现在离我们最近的强大能源是核聚变，但核聚变并不完美，即使未来可控核聚变成熟，也只能把核燃料大约0.7%的质量转化成能量。

相比之下，反物质和普通物质发生湮灭时，理论上能够把自身质量几乎全部转化为能量，所以它才会被称作宇宙中的完美能源。这个概念不是先从科幻里来的，而是从方程里来的。

1929年前后，狄拉克提出了著名的狄拉克方程。

这个方程到底是干嘛用的？要理解它，先要回到1905年爱因斯坦提出的狭义相对论。

狭义相对论讲的是空间和时间相互联系，物体运动速度不能超过光速。举一个简单例子，有一辆汽车正在以速度V0在地面上奔跑，车上有一个人，他相对于车有一个速度V1。

那这个人相对于地面的速度是多少？如果是非相对论情况，答案很简单，人相对于地面的速度就等于V1加V0，这种变换叫伽利略变换。

但是如果车相对于地面接近光速，人相对于车也接近光速，简单相加就会得到超过光速的结果。相对论情况不能这样算，因为物体速度不能超过光速。

真正要用的是洛伦兹变换，它在V0和V1都远远小于光速时，基本退化成普通加法；可一旦速度接近光速，最后计算结果仍然不会超过光速。

狄拉克方程还涉及量子力学。量子力学中有一个重要概念叫波函数，它描述粒子位置在什么地方的概率。

量子力学的波函数方程是薛定谔方程，薛定谔方程是为了适应量子力学提出的，但它是非相对论形式。问题是，微观粒子跑得非常快，比如电子运动速度就可以非常接近光速。

如果仍然用非相对论形式去描述，就不够合适。所以狄拉克完成的工作，就是把薛定谔方程相对论化，用洛伦兹变换对它进行处理。

这样一来，狄拉克方程就既满足量子力学，又满足相对论，等于把20世纪两个最重要的物理理论接在了一起。

人们一开始觉得这个方程太好了，但很快发现它有一个非常严重、非常反直觉的问题：根据这个方程去求解，电子不光有正能级，还有负能级。

所谓能级，可以简单理解为电子所处的不同能量状态。电子可以处在基态，也可以处在第一激发态、第二激发态，可按过去理解，基态已经是最低能级。

狄拉克方程却告诉大家，在基态下面还有负能级。这个问题让人无法理解，因为电子如果还能继续往下掉，普通原子就不会稳定。

为了解释这个问题，狄拉克提出一种观点：负能级的确存在，但是我们平时看不见，是因为负能级上面已经有电子把它填满了。根据泡利不相容原理，每一个能级上不能随便塞进完全一样的电子。

负能级非常多，电子也非常多，把它们都填满了，于是其他电子就不能再掉下去。狄拉克给这个设想起了一个名字，叫狄拉克海。

按照他的说法，真空并不是真的空，真空就是狄拉克海。那如果外界入射一个电磁波，给出足够能量，会发生什么？

负能级上的电子有可能吸收能量跑到高能级去。电子飞走以后，真空中就只剩下一个空位。这个空位带正电，看起来像一个带正电的粒子。

狄拉克最开始认为这个东西可能就是质子，因为质子带正电。

但这个说法不对。

包括泡利、海森堡等科学家都指出，这个空位的质量应该和电子完全一样，不可能是质子。于是狄拉克后来承认，它不是质子，而是一种新的粒子：反电子。

反电子的质量等于电子质量，电量和电子等大，但符号相反。后来人们把它称为正电子。

这就是狄拉克最早提出来的反粒子，也是反物质概念真正的起点。把刚才的说法总结一下：如果在真空环境下加上电磁波辐射，也就是给出能量，它就可以变成电子和反电子；反过来，如果电子和反电子合起来，也可以放出能量。

这个过程就叫正负电子湮灭。湮灭之后，电子和反电子一起消失，能量释放出来。科学史上更精彩的是，狄拉克不是只说了一个漂亮想法。

1932年，物理学家安德森利用云室在宇宙射线中首次发现了正电子，狄拉克的预言得到了实验验证。后来，反质子、反中子等反粒子也相继被证实，粒子物理学标准模型逐渐形成，科学家也制造出了反氢原子这类真正意义上的反物质。

正因为普通粒子和对应反粒子能够湮灭，反物质才显得如此诱人。核聚变只把很小一部分质量转成能量，而反物质湮灭理论上把质能转换推到极限。

如果未来宇宙飞船能使用反物质能源，跨越星际的飞行当然会更有想象空间。

可现实没那么简单，反物质制造成本极高，产量极低，而且无法像普通燃料一样保存。它一碰到普通物质就会湮灭，所以必须用特殊方式约束。

欧洲核子研究组织等机构可以制造和研究少量反物质，但距离把它当作能源使用还非常遥远。更大的谜题还在后面。

宇宙诞生早期，理论上物质和反物质应该同时出现，可今天我们看到的恒星、行星和生命几乎都由普通物质组成。

反物质为什么这么少？物质和反物质为什么不完全对称？这也是科学家研究镜像宇宙、反物质世界时绕不开的问题。

所以，反物质确实可以说是宇宙中最接近“完美能源”的东西，核聚变在转化效率上很难与它相比。

但它最初不是从能源工程里诞生的，而是狄拉克为了让量子力学和相对论同时成立，从负能级这个反直觉结果里推出来的。

一个方程先给出答案，几年后实验真的找到了正电子，这就是反物质被发现的核心故事。