要說宇宙中什么東西最神秘，莫過于我們這個世界的反版本。也就是我們常說的反物質(zhì)，今天我們就來談?wù)摲次镔|(zhì)的發(fā)現(xiàn)史及其令人驚嘆的特性和難以置信的神秘。讓我們從以下幾個方面開始追蹤反物質(zhì)之旅吧！

1. 數(shù)學(xué)解和物理解的關(guān)系

2. 反物質(zhì)預(yù)言與發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史

3. 反物質(zhì)粒子的性質(zhì)

4. 如果粒子和反粒子彼此靠近會發(fā)生什么？

5. 反物質(zhì)世界存在的可能性

6. 結(jié)論——反物質(zhì)能否被我們利用？

正負(fù)數(shù)學(xué)解和物理解

物理和數(shù)學(xué)是很好的朋友。物理依賴于數(shù)學(xué)來表達(dá)物理定律，而數(shù)學(xué)依賴于物理的大部分內(nèi)容。在很多情況下，當(dāng)我們的常識和直覺成為理解物理世界的障礙時，最好的辦法就是依靠數(shù)學(xué)來指導(dǎo)我們來沖破常識的桎梏，例如，在理解量子粒子奇異的不合邏輯的行為時，我們可以相信數(shù)學(xué)比我們的直覺更準(zhǔn)確地描述了現(xiàn)實。

但現(xiàn)實并不總是如此，有時候數(shù)學(xué)會做出一些沒有物理意義的奇怪預(yù)測。比方說，你正在設(shè)計一個導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)。所以，你必須通過數(shù)學(xué)計算出正確的導(dǎo)彈飛行軌跡，可以使它擊中正確的目標(biāo)位置。為此，你需要求解這樣一個方程y = ax2 bx c來算出發(fā)射速度和發(fā)射角度。由于方程中含有x2，所以導(dǎo)彈落地的點有兩個解。在這兩個解中，一個正確的解決方案將是物理方案，顯示出導(dǎo)彈將以正確的方式被發(fā)射到正確的地點。然而，另一個解決方案會給你一個荒謬的答案:它會告訴你初始速度應(yīng)該是負(fù)的，負(fù)值意味著你必須把導(dǎo)彈向后并直接射向地面(而不是空中)，意思是要穿地而過，這是一個正確的數(shù)學(xué)解，但不是正確的物理解，所以我們不得不拋棄它。

導(dǎo)彈根據(jù)兩個數(shù)學(xué)解發(fā)射。

所以，在大多數(shù)情況下物理學(xué)家已經(jīng)習(xí)慣了忽略那些在物理意義上似乎不合邏輯的數(shù)學(xué)解。并放棄非物理的解決方案，認(rèn)為它們只是數(shù)學(xué)產(chǎn)物，并不是對我們宇宙的真正洞察。不過在科學(xué)的發(fā)展中總是被事實啪啪打臉，我們的直覺為何總是和真理相悖，這些不合邏輯的數(shù)學(xué)解中可能真的包含著諾貝爾物理學(xué)獎，反物質(zhì)就是一個鮮明的例子。

保羅·狄拉克方程對反物質(zhì)的預(yù)言

保羅·狄拉克

1928年，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克(Paul Dirac)正在研究描述電子高速運動的量子行為的方程式。這個時期也是物理學(xué)徹底顛覆我們對宇宙天真看法的時候。

• 一個是量子力學(xué)使我們在最低層次上重新思考現(xiàn)實的本質(zhì)。

• 一個是著名的狹義相對論，它的復(fù)雜性足以給整個科學(xué)研究帶來一場革命。

?狄拉克也深受(量子力學(xué)和狹義相對論)的影響和熏陶，并通過使用它們，他發(fā)明了一個方程(稱為狄拉克方程)描述快速移動電子的行為(電子薛定諤波動方程的相對論版本)。

狄拉克發(fā)現(xiàn)他的方程對于帶負(fù)電的電子都非常有效，但是方程也適用于帶相反電荷的電子。這意味著，他的方程表明物理定律不在乎電子到底帶哪種電荷，所以對帶正電荷的電子也同樣適用，他稱之為正電子。這種反電子在許多方面與電子相似:它有相同的質(zhì)量和量子特性，只有電荷相反。以前從未觀察到這樣的粒子。

這就到了我上文提到的正負(fù)數(shù)學(xué)解發(fā)射導(dǎo)彈的問題，一些物理學(xué)家可能會試圖把這個結(jié)果當(dāng)作數(shù)學(xué)假象或負(fù)解來忽略。但是狄拉克很感興趣，因為這些并不是禁止反電子存在的物理定律。在正電子還沒發(fā)現(xiàn)的時候，狄拉克根據(jù)自己的方程進(jìn)一步提出所有粒子都有相應(yīng)的反粒子。因此，因此他不僅預(yù)言了一種新的單一粒子，而且預(yù)言了一種全新的粒子。綜觀物理學(xué)史這種大膽的真知灼見往往都能接近真理，也能接近諾貝爾獎，這給了我們生活一個啟示，下次我們遇見新的事物和看法一定先要大膽接受，回去慢慢分析研究，切記不能武斷，物理學(xué)家們給我們上的課已經(jīng)不少啦。

在1932年，一位物理學(xué)家卡爾·安德森發(fā)現(xiàn)了真正的反電子并命名它們?yōu)椤罢娮印薄＿@證明了狄拉克的預(yù)言。狄拉克于1933年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，安德森于1936年獲得該獎。查爾斯·珍妮特在1929年甚至提出了一個完整的反物質(zhì)周期表。目前，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾乎所有亞原子粒子的反版本。

• 反物質(zhì)的想法并不是很新，這些想法出現(xiàn)在過去的一些理論中。

“反物質(zhì)”一詞最早是由阿瑟·舒斯特爾在1898年為《自然》雜志撰寫的文章中使用的，他在文章中創(chuàng)造了反物質(zhì)一詞。他推測了反原子的存在，還假設(shè)了整個反物質(zhì)太陽系的存在。他還討論了物質(zhì)和反物質(zhì)相互湮滅的可能性。他的想法不是一個理論和數(shù)據(jù)作為支撐，只是一種推測和猜想。他還認(rèn)為反物質(zhì)應(yīng)該具有“負(fù)引力”。所以，狄拉克的想法并不是很新。但是他給出了完整的數(shù)學(xué)理論支撐，使得反物質(zhì)存在更加可信。

反物質(zhì)粒子的性質(zhì)

歐洲粒子物理研究所的大型強(qiáng)子對撞機(jī)歐洲核子研究中心

事實上，科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)觀測到反粒子很多次了。目前，我們所知道的幾乎每一個帶電粒子都被證實具有反粒子。反粒子很容易通過粒子碰撞形成。在歐洲核子研究中心，每年都會產(chǎn)生幾微克的反粒子。來自太空與大氣碰撞的宇宙射線有時也含有反粒子。

反粒子是我們在物理學(xué)在微觀層面中發(fā)現(xiàn)對稱性的一個很好的例子。你可以想象粒子和反粒子是同一枚硬幣的兩面。粒子的副本也以不同的方式存在:每個亞原子粒子也有兩個較重的表兄弟。例如，電子有μ介子和τ粒子與電子具有幾乎相同量子特性(如電荷和自旋)，但它們得質(zhì)量更大。所以我們看到，電子有兩個更重的表親和一個反粒子。當(dāng)然，較重的表兄弟μ介子和τ粒子也有他們的反版本。

根據(jù)一種被稱為“超對稱性”的推測理論，每個粒子都有另一種鏡像——“超粒子”，它與原始粒子非常相似(相同的質(zhì)量、電荷等)，但具有不同的量子自旋。所以我們看到物質(zhì)粒子充滿了雙胞胎，堂兄弟甚至克隆體。

那么問題來了:為什么會有這兩個版本的粒子存在？我們?yōu)槭裁床辉谌粘Ｉ钪杏^察它們呢？

如果粒子和反粒子彼此靠近會發(fā)生什么？

物質(zhì)和反物質(zhì)的湮滅|小游戲

如果一個外星人降落在你家后院草坪上，當(dāng)你伸出手臂表示歡迎時，先拿一個小物件仍它一下，如果發(fā)生了爆炸，那么外星人很可能是反物質(zhì)構(gòu)成的。如果不是,那么您可以繼續(xù)把它帶給你們領(lǐng)導(dǎo)。”?-尼爾·德格拉斯·泰森

?在科幻小說中，我們看到許多不可思議的物理現(xiàn)象誕生于作者的想象之中，但大多數(shù)東西(如時間旅行、瞬間移動、比光旅行更快等)。)在現(xiàn)實生活中是不存在得。就像科幻小說描述得一樣，據(jù)說當(dāng)一個粒子接觸到它的反粒子時，它們會爆炸？

這一點確實沒有虛構(gòu)，實際上事實證明這是真的。當(dāng)雙胞胎(粒子和反粒子)相遇時，他們不僅僅擁抱在一起，他們還會徹底摧毀對方。它們的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化為高能粒子，比如光子或者膠子，不會留下原始粒子的任何痕跡。這個過程叫做“湮滅”。這不僅發(fā)生在電子和正電子上，而且發(fā)生在夸克與反夸克碰撞或者μ子遇到反μ子的時候。

正負(fù)電子湮滅

正反物質(zhì)湮滅釋放的能量非常高，因為質(zhì)量儲存了大量的能量。愛因斯坦的著名方程E=mc2表明質(zhì)量和能量是相互關(guān)聯(lián)和相互轉(zhuǎn)換的。如果一克反粒子與一克正常粒子結(jié)合，就會釋放出超過4萬噸的爆炸力，相當(dāng)于二戰(zhàn)中使用的原子彈威力的兩倍多。

粒子在湮滅時實際上不會互相接觸。它們實際上也不是我們想象得小球，而是量子力學(xué)物體。他們沒有任何表面。當(dāng)兩個粒子(粒子和反粒子)彼此靠近時，你可以把它們的量子力學(xué)想象成合并，兩個粒子消失在另一種形式的能量中(最有可能是光子)。從這種能量中也可能出現(xiàn)各種類型不同的粒子。這正是我們每天在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上粉碎粒子以創(chuàng)造新型粒子時所發(fā)生的事情。

這實際上提出了一個觀點，即所有粒子碰撞都會導(dǎo)致原始粒子湮滅成新粒子。但是粒子和反粒子相互作用的區(qū)別在于它們是彼此的鏡像，電荷相反。所以它們對彼此有很強(qiáng)的吸引力，更容易發(fā)生碰撞。它們也是完美的互補，碰撞后湮滅成中性的東西(比如光子)，不會產(chǎn)生新的粒子。

應(yīng)該記住的另一件事是，當(dāng)粒子相互作用(碰撞)時，電荷不可能憑空產(chǎn)生，也不可能被摧毀。碰撞前后粒子的總電荷必須相同。為什么會這樣？我們目前還不知道。我們只是在現(xiàn)實生活實驗中觀察到了這種模式，并將這些規(guī)則納入了我們的理論。

反原子結(jié)構(gòu)與|原子核電結(jié)構(gòu)的比較

當(dāng)電子和正電子彼此靠近時，它們相反的電荷( 1和-1)將它們拉向?qū)Ψ剑谒鼈兣鲎埠?，相反的電荷完全抵消了對方，讓它們所有的存在痕跡完全消失。

如果我們加速其他帶相同電荷的粒子碰撞，這就不會發(fā)生湮滅。例如，如果我們抽離兩個帶電荷(-1和-1)的電子，作為一個整體，電荷-2必須守恒，這將不允許電子完全湮滅，碰撞后并可能產(chǎn)生一些新的帶電粒子。

你可能會問，電荷不是唯一需要守恒東西。如果我們需要兩個電荷相等和相反的粒子，電荷為-1的電子和電荷為 1的反μ子能湮滅嗎？答案是不能。在我們的宇宙中還有另一個關(guān)于湮滅的定律，那就是“電性”和“介子性”(基本上是量子性質(zhì))必須守恒。我們不能用非電子摧毀電子。它只會對它的反粒子正電子起作用。對電子的表兄弟μ子和τ來說也一樣。

反物質(zhì)和我們反版本的可能性

反物質(zhì)構(gòu)成的地球，可能嗎？

我們看到，反粒子和正常粒子是一樣的，可以互相湮滅，將整個質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。事實也證明，就像普通粒子一樣，反粒子可以自我組裝形成反版本的更復(fù)雜的粒子，如質(zhì)子和中子。例如，如果我們?nèi)蓚€反下夸克和一個反上夸克，并把它們結(jié)合起來，我們就有可能產(chǎn)生一個反中子。這種反中子仍然像普通中子一樣是電中性的，但是它的內(nèi)部將由反粒子組成。同樣，我們可以通過組合兩個反上夸克和一個反下夸克來制造一個反質(zhì)子，這與質(zhì)子相似，但帶有負(fù)電荷。

反水

在此之后，我們可以更進(jìn)一步，創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。一旦我們有了反中子、反質(zhì)子和反電子，我們就有可能制造出反原子!如果我們把一個反電子和一個反質(zhì)子放在一起，反電子就會繞著反質(zhì)子轉(zhuǎn)，我們就會得到一個反氫原子!同樣地，如果我們聚集了足夠的反粒子我們就能制造出任何東西的反版本。例如，如果我們把兩個反氫原子和一個反氧結(jié)合，我們可能會得到反水。這種水會有和普通水一樣的感覺和物理特性。但是如果我們喝了它，這并不會讓我們感覺到清爽透心涼，而是爆發(fā)出大量的能量。

再進(jìn)一步，我們可以找到任何東西的反版本，甚至是蛋白質(zhì)和DNA。如果發(fā)生這種情況，你可能會發(fā)現(xiàn)一個反地球和一個反你的人，除了那個反他/她是由反物質(zhì)組成的(再考慮到無限宇宙中任何事物的可能性)，他/她可能和你長得一模一樣，也許反他/她就是你。

事實上，如果我們是由反粒子組成的，那么我們就把它叫做“物質(zhì)”，而把普通粒子叫做“反物質(zhì)”。這些只是任意的名字，沒有別的。沒有誰愿意把自己的東西很“反”掛鉤。反外星人也稱它們是由正物質(zhì)構(gòu)成的。

但是，所有關(guān)于反物質(zhì)的討論提出了一個問題:這些反物質(zhì)在哪里？（下篇文章會講）

結(jié)論——反物質(zhì)能否被我們利用

一切都是從無中生有中創(chuàng)造出來的，為了保證能量守恒。宇宙中也應(yīng)該存在反物質(zhì)和我們物質(zhì)世界對立。那關(guān)于能量，我們能有一種能消耗常規(guī)能量的反能量嗎?沒有發(fā)現(xiàn)任何類似的東西。能量被認(rèn)為是中性的，并且它也被推測在更高的維度中泄漏(我們會再后面的文章討論這個話題)。我們還沒有觀察到反光子，和反版本的光。

反物質(zhì)宇宙飛船

現(xiàn)在回到反物質(zhì)。物質(zhì)和反物質(zhì)中儲存的能量非常高。我們可以從反粒子湮滅中產(chǎn)生大量能量。這導(dǎo)致我們的工程師推測這種能量可以用來驅(qū)動宇宙飛船。反物質(zhì)驅(qū)動的宇宙飛船可能是探索這個巨大而神秘的宇宙的有效方法。然而，美國宇航局警告這個想法有一個巨大的陷阱:一毫克反物質(zhì)大約要花費1000億美元。同樣，創(chuàng)造反物質(zhì)需要巨大的能量，超過我們從反物質(zhì)反應(yīng)中得到的能量。因此，目前在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上實施這一想法是不可行的。

但是這并沒有阻止美國國家航空航天局和其他機(jī)構(gòu)努力改進(jìn)技術(shù)，使反物質(zhì)航天器成為可能。然而，據(jù)推測，在未來大約40-60年內(nèi)有可能使用反物質(zhì)。

?“上帝創(chuàng)造了…光明與黑暗，天堂與地獄;科學(xué)說法一樣的宗教,宇宙大爆炸創(chuàng)造了宇宙中的一切相反,包括物質(zhì),反物質(zhì)?！?——丹·布朗

關(guān)于反物質(zhì)還有很多的秘密:為什么宇宙選擇了正物質(zhì)？我們在哪里可以找到反物質(zhì)？中立的事物有反版本嗎？反物質(zhì)的時間維度顛倒了嗎？重力將如何作用于反物質(zhì)？