神秘莫测的反物质

反物质这个词，相信大家应该都不陌生，虽然它听起来和宇宙一样深邃莫测，但是，就算它再神秘，也还是被科学家们窥探到了冰山一角。现在，请读者们随我一起，追随着先人的脚步，揭开反物质的神秘面纱。

在1929年，英国著名物理学家保罗·狄拉克提出了一个著名的方程–狄拉克方程。要说明这个方程，就不得不提到另一个方程–薛定谔方程。在量子力学领域，它用来描述粒子位置在某个位置的概率。但是，薛定谔方程是为了满足量子力学而提出的，是非相对论的，这就遭到了别人的质疑。他们说“你看量子的物体，例如电子，运动速度非常快，接近于光速，你用非相对论形式不合适啊，应该把它改成相对论形式才对啊”。那么是谁完成了这项工作呢?答案就是狄拉克，他将薛定谔方程进行了相对论化，建立了狄拉克方程。

狄拉克方程

狄拉克方程刚问世的时候普遍被科学家们看好。但没过多久，人们便发现这个方程有一个十分令人费解的问题，就是当你根据这个方程求解时，会发现电子的能级存在负能级。当时人们的普遍认识是，电子只能处于n=1的基态，到n=3的第二激发态，如果说电子存在n=-1的负能级的话，你怎么证明呢?为了解释这个问题，狄拉克提出了一种观点。他说，负能级确实是存在的，观测不到是因为在负能级上面，有电子将其填满。根据泡利不相容原理，每一个能级上可能存在一对电子，负能级非常多，电子也非常多，于是狄拉克就将其命名为狄拉克海，并指出狄拉克海就是我们所说的真空。

按照狄拉克的说法，狄拉克海（真空）由负能级和电子组成，电子带负电，而真空不带电，那么负能级就理所当然的带正电。这时如果我们入射一段电磁波，负能级的电子就有可能吸收能量跑到高能级去，这样真空中就只剩下负能级，而且它还带正电，那这个东西究竟是什么?狄拉克起初认为它是质子，但是遭到了其他科学家否认。如果它是质子，那么负能级的质量应该等于电子的质量，而科学家们通过计算，发现二者质量不相等。在1931年，狄拉克承认了负能级不是质子，并给负能级取了另一个名字–反电子。

电子

在真空环境下，我们加上电磁波，也就是能量，就可以变成电子和反电子；那我们反过来想，假设有一个负能级上没有电子，高能级的电子也可以跃迁回负能级，并发出电磁波（能量）。也就是说，真空＋能量电子＋反电子，这个过程是可逆的，电子和反电子结合，可以释放出能量，这个过程叫做正负电子的湮灭。最重要的一点，正负电子湮灭所释放的能量的效率是100％！

其实，最早设想反物质的并不是狄拉克。早在1898年，就有一名叫舒斯特的科学家，他给《Nature》了一封信，里面就提到了“反物质世界”这一假说，然后才是狄拉克发现反电子。但还有一位科学家，他在不知道狄拉克理论的前提下，于1932年独自发现了正电子，这个人就是美国科学家安德森，那么他又是如何发现正电子的呢?（反电子其实就是正电子，只不过命名的人不同）

在当时，科学家们探测粒子主要使用的工具是威尔逊云室，就是在一个容器里有过饱和蒸汽，此时射入粒子，在粒子运动轨迹上就会出现液化的小液滴，如果再加上磁场的话，粒子就会发生偏转，就可以判断粒子的电性。安德森就用这个方法去观察一些宇宙射线，他发现有一些宇宙射线在磁场中会向右偏转，根据磁场相互作用，安德森判断它带正电，他的老师说这是质子。但安德森不相信，因为质子能量比较大，经过云室形成的轨迹比较粗，液化小液滴也比较多；但是他所观察到的轨迹是非常细的，所以安德森怀疑它是电子，但电子怎么能带正电呢?

威尔逊云室示意图

安德森想，也许这束粒子不是从上往下走的，而是从下往上走，这样它的运动轨迹偏转一样，带负电也就合情合理。为了验证这一想法，他拿一块铅板放在磁场中间，粒子穿过铅板后速度会变小，在磁场中的回旋半径就会增大。经实验，他发现铅板下半部分的粒子轨迹出现大幅度偏转，证实了这束粒子确实是从上往下运动的，而且它是带正电的电子，安德森将其取名为正电子，他也因此获得了诺贝尔奖。

安德森云室实验 粒子穿过铅板轨迹

既然电子有反粒子，其他粒子有没有呢，答案是肯定有的。1955年，意大利物理学家塞格雷，美国物理学家张伯伦发现了反质子；1956年美国物理学家考克发现反中子。那么现在，反电子、反质子、反中子都有了，理论上它们就能组成反物质，但这却隔了很长时间，直到1995年，在欧洲核子中心CERN，瓦尔特领导他的团队成功制作了反氢原子，花费了大量财力物力。有人估算过，制造1克反物质大概需要上万亿美元，那1克反物质与正物质进行湮灭的时候能产多大能量呢?根据E=MC²，可以算出1克反物质大概相当于4.3万吨TNT炸药爆炸的能量。和反物质比起来，核能根本不值一提。

文/科学坊