世界的奇妙遠(yuǎn)超人類的想象,，造物主創(chuàng)造世界的手段如此之高明,，也遠(yuǎn)不是我們?nèi)祟愃芾斫獾摹?/p>

有時候,，我們覺得自己好像觸摸到真理了，但最后發(fā)現(xiàn)大自然總會給我們帶來一些意想不到驚喜,，那每一次驚人的發(fā)現(xiàn),，都讓我們不得不佩服造物主高超的技藝。

但是我們?nèi)祟惖奶剿髂芰?、?chuàng)造能力也是驚人的,，有時候某些東西被造物主偷偷地藏在了黑暗的角落，但最后還是被我們?nèi)祟惏l(fā)現(xiàn)了,。

這就是我們今天的主題,，我們找到了一個被造物主藏起來的東西，它就是反物質(zhì),。我們先說反物質(zhì)是啥,？

這個很好理解，反物質(zhì)是正物質(zhì)的反面版本,，正物質(zhì)就是我們身邊能夠看到的所有的東西,，包括你在內(nèi)，你家的寵物,，你的老婆都是正物質(zhì),，因?yàn)槲覀兌际怯少|(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的,。

而反物質(zhì)則是由反質(zhì)子,、反中子和反電子構(gòu)成，所以問題是,，這些反粒子和正粒子之間有啥區(qū)別,？

就拿電子和反電子來說，由于我們誰也沒有見過電子和反電子,，所以區(qū)分它們不能通過長相,，而是要通過它們所攜帶的一些屬性。

比如說電子帶負(fù)電,，反電子卻帶正電,，電子的輕子數(shù)為1，反電子的輕子數(shù)為-1,，之所以說他倆互為各自的反版本,，是因?yàn)樗麄z也有相同的地方，比如質(zhì)量相同,、自旋大小相同都是1/2 ,。

這里我再說下什么是輕子數(shù)，輕子是對電子按照質(zhì)量的一種分類,，所以電子就是輕子家族中的一員,，由于我們發(fā)現(xiàn),，在實(shí)驗(yàn)室的任何反應(yīng)中輕子的數(shù)量不會增加，也不會減少,，所以我們就認(rèn)為輕子數(shù)是一個守恒量,，說白了就是你在創(chuàng)造一個電子的同時，必須創(chuàng)造出一個與之對應(yīng)的反電子,，電子的輕子數(shù)是1,，反電子的輕子數(shù)的-1，結(jié)構(gòu)就是輕子數(shù)不增不減,，理解了吧,。

那你想要?dú)缫粋€電子的同時，必須也要?dú)缫粋€反電子,，這樣就能保證在反應(yīng)的前后輕子數(shù)守恒了,。

那么以上的規(guī)律就意味著，我們的宇宙中不會有凈剩輕子數(shù),，說白了就是不會有電子,，那么沒有電子也就有沒有了物質(zhì)，沒有了我們現(xiàn)在能看到的一切,，包括宇宙中的各種星球,。

其實(shí)也不會有質(zhì)子和中子，因?yàn)橘|(zhì)子和中子叫重子,，從名字就可以看出因?yàn)檫@些東西比輕子重,，所以叫重子，我們發(fā)現(xiàn),，重子數(shù)也是守恒,，它在實(shí)驗(yàn)室的反應(yīng)中總是不增不減。

因此依照現(xiàn)今的物理學(xué),，輕子數(shù)和重子數(shù)的守恒意味著宇宙中不應(yīng)該有物質(zhì),，而是什么都沒有，因?yàn)橛钪嬉婚_始正反物質(zhì)的數(shù)量是對稱的,，而且它們的輕子數(shù)和重子數(shù)相反,，正反物質(zhì)湮滅以后，宇宙的輕子數(shù)和重子數(shù)就是0,，不會留下任何東西,。

但事實(shí)很明顯，宇宙中留下了大量的物質(zhì),，而反物質(zhì)卻消失了，這是為什么呢,？這個疑問是當(dāng)今宇宙學(xué)和粒子物理中最大的一個謎題,。但這不是我們今天的主題,，所以就不詳細(xì)地說了。

那我說以上的內(nèi)容,，就是想讓你知道兩個關(guān)鍵點(diǎn),，輕子數(shù)和重子數(shù)這兩個守恒量，在后面的文章中會大量提到這些名詞,，還有我們昨天說的同位旋,，都是一些基本概念。

其實(shí)的話,，等你看完整個粒子物理的內(nèi)容以后,，你就會發(fā)現(xiàn)，粒子物理大部分的內(nèi)容都是基于守恒量和對稱性來建立的,，所以一些守恒的量子數(shù)還是比較重要的,。

好，我們接著說反物質(zhì),，那你現(xiàn)在可能會想,，既然宇宙中沒有反物質(zhì)了，那我們是從哪里找到反物質(zhì)的,？以上做了大量的鋪墊以后,，我們就可以說今天的內(nèi)容了。

當(dāng)年,，大約是1925年的時候,，薛定諤寫出描述電子波函數(shù)的波動方程，由于它當(dāng)時并不知道電子自旋的概念,，所以它的方程是非相對論性的,。

也就是它的方程不是在狹義相對論的基礎(chǔ)上建立的，而這個工作最后是在1927年的時候由狄拉克完成的,，通過狄拉克的相對論性的波動方程,，就可以完美地解釋氫原子的光譜問題，而且還能推導(dǎo)出電子的自旋值為1/2,，那在這之前電子的自旋完全就是一種猜測,，沒有任何根據(jù)。

但是描述電子的自旋只需要兩個分量,，但是狄拉克的方程卻導(dǎo)出了四個,，而且還出現(xiàn)了負(fù)能解，負(fù)能解描述的是負(fù)能量電子的運(yùn)動,。

負(fù)能量這是什么鬼,？完全沒見過，最好的解決辦法就是忽略這個沒有物理意義的解,，但狄拉克不一樣,，他的物理直覺告訴自己,，這個解可能還真有物理意義。

其實(shí)出現(xiàn)負(fù)能量的問題,，并不是狄拉克首先遇見的,，在愛因斯坦描述物質(zhì)攜帶能量的公式中，能量那一項(xiàng)有個平方,，這也意味著能量可能具有正負(fù),。那正能量最低值就可以是MC2，負(fù)能量最大的值就是-mc2,，正能量世界和負(fù)能量世界中間有一個寬度為2MC2的間隙,。

由于愛因斯坦的這個方程完全就是描述經(jīng)典世界的方程。經(jīng)典世界中的宏觀物質(zhì)它是連續(xù)運(yùn)動的,，不可能通過連續(xù)運(yùn)動越過中間這么寬的能隙,，所以當(dāng)時人們就忽略了這個負(fù)能量的解。

但是量子世界不同,，它是間斷性的,，隨著波函數(shù)的擴(kuò)散，粒子喜歡神秘的躍遷,，越過能隙也是有可能的,，所以狄拉克就算了一下，這原子中的電子是有一定的幾率會在10^-8秒躍遷到負(fù)能級的,。

如果真發(fā)生這樣的事,，那后果非常嚴(yán)重，氫原子的電子就會一瞬間消失掉,，跑到負(fù)能量的狀態(tài)上,，整個物質(zhì)世界都會崩潰掉的。

所以狄拉克覺得不能回避這個負(fù)能級了,，因此他就要解釋為什么電子沒有跑到負(fù)能級上,？為了解決這個困難，狄拉克就想到泡利的不相容原理,。

這個原理說的是,，兩個全同的費(fèi)米子，不能待在同一空間,。由于電子的是費(fèi)米子,，因?yàn)樗淖孕?/2，所以在原子的空間中不存在兩個量子態(tài)相同的電子,。

這就可以解釋為什么電子沒有躍遷到負(fù)能級了,，因?yàn)樨?fù)能級的軌道都已經(jīng)被具有負(fù)能量的電子填滿了，所以正能量的電子躍遷不下去了。

這樣的解釋就意味著,，如果我們給這個負(fù)能量電子提供以能量,，它們就會被激發(fā)到正能態(tài)，這是由于一個電子跑了,，那在真空中就會出現(xiàn)一個空穴，這個空穴就相當(dāng)于一個正能粒子,，但是它的電荷和電子相反,，質(zhì)量和自旋以及所有的性質(zhì)都和電子一樣，它就是正電子,。

這就是狄拉克對正電子,，或者是反物質(zhì)的預(yù)言。大約就在同一時間,，我國核物理方面的鼻祖趙忠堯,，他在加州理工大學(xué)跟過密里根，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室跟盧瑟福一起工作過,，1931年回國,，為祖國效力。

就在1930年的時候,，趙忠堯當(dāng)時正在用高能γ射線轟擊物質(zhì),，觀察物質(zhì)對γ射線的吸收規(guī)律，他就發(fā)現(xiàn)了一個反常的現(xiàn)象,，物質(zhì)經(jīng)過伽馬射線撞擊以后,，會朝著不同的方向輻射出一個能量為0.5Mev的γ光子，不僅反向是隨機(jī)的,，輻射出來的γ光子的能量也是確定的,。

這個現(xiàn)象不能用伽馬光子與核外電子的散射來解釋，更像是與原子核的相互作用,，當(dāng)時就把這個過程叫做反常核吸收現(xiàn)象,。

這是趙忠堯首次發(fā)現(xiàn)的，所以也叫趙忠堯特征輻射,，后來很多的同行都發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象,。到了1932年，美國物理學(xué)家卡爾·安德森在山上研究宇宙線的時候,，就在云室中發(fā)現(xiàn)了狄拉克預(yù)言的正電子,。

云室我們之前說過，它可以顯示粒子的徑跡,，我們在把云室放在磁場中,，根據(jù)帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)情況，我們就能看出這個粒子帶正電還是負(fù)電，還能算出粒子的電荷,，質(zhì)量之類的信息,。

所以安德森只用了一個晚上的時間就確認(rèn)了這是正電子，就是狄拉克預(yù)言的反物質(zhì),。正是因?yàn)檫@個工作安德森獲得了1936年的諾貝爾物理學(xué)家獎,。

正電子發(fā)現(xiàn)以后，人很快就對趙忠堯特征輻射做出了解釋,，這就是狄拉克所說的,，給真空賦予能量，會從真空中激發(fā)出一個電子,，產(chǎn)生一個空穴（正電子）,，隨后電子又落回到空穴，也就是電子和正電子湮滅就變成了兩個光子,，之所以是變成兩個光子,，而不是一個光子的原因是，兩個光子可以朝著相反的方向射出去,，這樣就能保證不僅能量守恒了,，動量也守恒了，那之所以每個光子的能量是0.51Mev,，其實(shí)這就是一個電子的質(zhì)量,。

那在這個過程中原子核在干嘛？原子核是為了保證整個能量的轉(zhuǎn)化過程是守恒的,，因?yàn)橐粋€γ光子不可能直接變成兩個正負(fù)電子對,，這樣的話不能保證動量和能量同時守恒，因此需要第三者的參與,，就是原子核,。跟剛才上面的情況一樣。

現(xiàn)在這個效應(yīng)還有一個名字就叫正負(fù)電子對效應(yīng),，說的就是一個高能γ光子入射物質(zhì)以后,，被原子核吸收產(chǎn)生正負(fù)電子對的現(xiàn)象。

這里我再補(bǔ)充一下,，當(dāng)光子入射物質(zhì)以后,，從低能量到高能量會發(fā)生一下三種情況，光電效應(yīng),、康普頓散射,、以及正負(fù)電子對效應(yīng)。

那我們下面再說最后一個問題,，為啥趙忠堯沒有獲諾獎,，他可是首次發(fā)現(xiàn)了正負(fù)電子的產(chǎn)生,，以及湮滅的過程。

原因其實(shí)很簡單,，他只是對這種現(xiàn)象做出描述,，并沒有具體去解釋現(xiàn)象，更沒有說γ光產(chǎn)生了正負(fù)電子對,，如果他能以輻射光子總是0.51Mev 的能量推斷出,，這就是正負(fù)電子湮滅以后釋放的，那可能會有機(jī)會和安德森分享諾貝爾獎,，這也算得上是間接地發(fā)現(xiàn)了正電子,。所以趙忠堯與反物質(zhì)看似是一步之遙，其實(shí)還有很長的距離,。

總的來說，狄拉克的空穴理論意義重大,，他讓我們發(fā)現(xiàn)了一個不一樣的世界,，其實(shí)不光有反電子，我們現(xiàn)在所知的所有的粒子都具有自己的反物質(zhì)版本,，之所以會這樣,，完全是因?yàn)樯系墼趧?chuàng)造世界的時候，最底層的邏輯就是對稱性,。

這也是為什么我們現(xiàn)在很多無法解釋的物理現(xiàn)象都需要在對稱性的自發(fā)破缺中才能找到答案,。最后我再補(bǔ)充一點(diǎn)，狄拉克的空穴理論,，其實(shí)只是為了讓我們更好地理解反電子的由來,。

最后我們發(fā)現(xiàn)所有的粒子都有自己的反版本，所以這個空穴理論就沒用,，應(yīng)該從書中刪掉,，但是這個例子比較形象，所以一直保留著,。因此真空中沒有被電子,、質(zhì)子、和中子填滿,，產(chǎn)生正反物質(zhì)就是因?yàn)槟芰康轿镔|(zhì)的轉(zhuǎn)化,，遵循了對稱性的要求。

好了今天的內(nèi)容就到這里，下節(jié)課我們說中微子的發(fā)現(xiàn)過程。