1928年的一天，著名物理學(xué)家狄拉克坐在自己的椅子上，翹著二郎腿，長舒了一口氣。他剛剛完成了一項偉大的工作，把量子力學(xué)領(lǐng)域的薛定諤方程和宇宙量級上的相對論進行了結(jié)合，提出了屬于他的狄拉克方程。
薛定諤方程，是用來描述微觀粒子運動的?？墒?，這個方程也有一個問題，他在計算粒子速度的時候，使用的是正常世界的公式。而在微觀世界，粒子都是以接近光速的速度運動著，用宏觀世界的公式就顯得不合適了，而是要考慮到相對論的效應(yīng)才可以。
那么，相對論是什么效應(yīng)呢？
相對論告訴我們：物體的移動是不能超過光速的。舉個例子：在赤道上，地球的自轉(zhuǎn)線速度是1670km/h，如果你在赤道上向正東方向以30公里的時速前進，按照宏觀世界物體的速度變換公式（伽利略變換），那就是1700km/h。這是沒問題的。但如果你在一個0.8倍光速的車上以0.3倍光速向前走，然后還是按照這個方式計算，豈不是1.1倍光速了？
實際上，在接近光速的級別時，我們需要運用另一種速度疊加公式（洛倫茲變換）來計算，那就是：
如果你愿意試一下的話，就會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個疊加的速度都很小時，分母幾乎等于1，這個公式和伽利略變換就沒什么區(qū)別；而當(dāng)它們接近光速乃至等于光速的時候，計算結(jié)果也永遠無法超過光速。
于是，狄拉克就把這個變換公式運用到薛定諤方程（當(dāng)然，其實這里還有其他很復(fù)雜的計算和理論，咱們簡單地理解一下就夠了），從而推導(dǎo)出這個讓他滿意、讓其他人都驚嘆不已的狄拉克方程（方程很復(fù)雜，我們就不引用了）。
就在狄拉克沾沾自喜的時候，其他科學(xué)家提出了疑問：不對啊，你這個方程，搞出了負能級的電子，這是咋回事？
好吧，咱們又得跳戲了，講一講什么叫負能級。
這個就容易解釋一些了，就是說一個原子在正常狀態(tài)下，電子安穩(wěn)地圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，這個狀態(tài)叫做基態(tài)?？墒?，如果有外界給這個原子施加能量，電子吸收了能量，就跟打了雞血一樣，開始“上躥下跳”。借用網(wǎng)上的一個比喻，基態(tài)下的電子，就相當(dāng)于一輛車的空檔，被激發(fā)的電子則像掛了1擋、2擋、乃至5擋一樣，嗖嗖跑。
而狄拉克方程告訴我們，電子還有負能級，相當(dāng)于一輛車還有負擋。當(dāng)然，這個“負擋”和倒擋還不太一樣，而是說電子已經(jīng)違背常理了。
狄拉克把翹著的二郎腿放下來，陷入了深深的思考之中。他提出了一個想法，說負能級的確有，但是已經(jīng)被電子填滿（泡利不相容原理，反正這個理論是錯的，不用深入了解），所以我們觀察不到。這些負能級電子就像淹沒在海洋里了一樣，故而提出了迪拉克之海的概念。
這個概念本來就很牽強，就像愛因斯坦提出的宇宙常數(shù)一樣。很快，海森堡、泡利等人就提出了質(zhì)疑。最終，狄拉克承認，這個方程相當(dāng)于一個預(yù)言：這些負能級的電子，實際上是帶一個正電荷的電子（普通電子帶一個負電荷），質(zhì)量和電子相同，因此這種電子被命名為反電子。
狄拉克的預(yù)言很快就被證實，美國物理學(xué)家安德森在用云室研究宇宙粒子的時候，就發(fā)現(xiàn)了在云室的磁場中和電子偏轉(zhuǎn)方向完全相反，但是角度完全相同的粒子。學(xué)過高中物理的朋友可以看出來：偏轉(zhuǎn)方向相反說明電荷相反，角度相同說明質(zhì)量相同。顯然，這個就是反電子。
就這樣，人類第一次發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)。
接下來，1955年，美國勞倫斯輻射實驗室發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子；1965年，美籍華裔物理學(xué)家丁肇中發(fā)現(xiàn)了反氘核；1995年，歐洲核子研究中心的科學(xué)家甚至合成了反氫原子。
那么，科學(xué)家為何如此執(zhí)著于反物質(zhì)呢？它究竟有何用處呢？我們下一期再介紹。
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