一提到反物質(zhì)，很多人的第一反應(yīng)是，它是質(zhì)量為負(fù)的物質(zhì)，與物質(zhì)相遇即同歸于盡。

正反物質(zhì)的湮滅

這個(gè)聽起來(lái)很“科幻”，但其實(shí)并不正確。

反物質(zhì)并不是“負(fù)質(zhì)量的東西”，它和普通物質(zhì)在質(zhì)量上完全一樣，只是在某些關(guān)鍵性質(zhì)上恰好相反。

什么性質(zhì)相反呢？我們從最熟悉的粒子說(shuō)起。

電子帶負(fù)電，而它的反粒子——正電子——帶正電；質(zhì)子帶正電，它的反粒子——反質(zhì)子——帶負(fù)電。除了電荷相反之外，這些粒子的質(zhì)量、自旋等基本性質(zhì)卻完全相同。

電子、質(zhì)子和中子及其反粒子

所以，反物質(zhì)最核心的特點(diǎn)是：它是由反粒子組成的物質(zhì)，與普通物質(zhì)的質(zhì)量相同，但電荷等內(nèi)部對(duì)稱性決定的量子數(shù)的符號(hào)相反，除了電荷之外，還包括重子數(shù)、輕子數(shù)等。

按照現(xiàn)代量子場(chǎng)論，一切場(chǎng)粒子都有反粒子，包括夸克、輕子和傳遞相互作用的中間玻色子。特別的，凡是由夸克構(gòu)成的物質(zhì)粒子——即重子和介子，都存在與自身不同的反物質(zhì)粒子，例如質(zhì)子、中子和π介子等。注意，雖然中子不帶電，但反中子是另一個(gè)粒子，因?yàn)闃?gòu)成中子的三個(gè)夸克都存在與自身不同的反夸克。

氫原子和反氫原子

光子比較特殊，它的反粒子就是它自身。中微子更特殊，它的反粒子可能是自身，也可能不是，目前還在研究中。

那么，反物質(zhì)是怎么被提出并發(fā)現(xiàn)的呢？

反物質(zhì)并不是憑空設(shè)想出來(lái)的，它的起源可以追溯到20世紀(jì)初物理學(xué)的一次重大理論突破。

保羅·狄拉克（1902~1984）

1928年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克（Paul Dirac，1902~1984）試圖解決一個(gè)當(dāng)時(shí)非常棘手的問(wèn)題：如何把量子力學(xué)和相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)，正確描述電子的行為。經(jīng)過(guò)一番推導(dǎo)，他得到了一個(gè)全新的方程——狄拉克方程。

這個(gè)方程有一個(gè)出人意料的結(jié)果：電子的能量不僅可以是正的，還可以是負(fù)的，即 這讓狄拉克陷入困惑。因?yàn)槿绻?fù)能量狀態(tài)真的存在，電子就會(huì)不斷“掉”到更低的能量中去，最終能量趨向負(fù)無(wú)窮，整個(gè)世界將不穩(wěn)定。但現(xiàn)實(shí)顯然不是這樣。

為了避免這種災(zāi)難，狄拉克提出了一個(gè)極具想象力的解釋。他設(shè)想：

所有負(fù)能量狀態(tài)早已被電子“填滿”，形成一個(gè)看不見(jiàn)的“海”。

這個(gè)想法后來(lái)被稱為“狄拉克?！?/strong>。

狄拉克的“狄拉克?！毕敕?/p>

由于泡利不相容原理，電子不能占據(jù)同一狀態(tài)，正能量電子無(wú)法再掉進(jìn)這些已經(jīng)被填滿的負(fù)能態(tài)的海中，因此系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

更精彩的地方在于，如果這個(gè)“?！崩锬硞€(gè)位置缺少了一個(gè)電子，會(huì)發(fā)生什么？

狄拉克發(fā)現(xiàn)，這個(gè)“空缺”在物理上表現(xiàn)為一個(gè)帶正電、具有正能量的粒子。

換句話說(shuō)：電子的“缺位”看起來(lái)就像一種全新的粒子。

狄拉克據(jù)此大膽預(yù)言：世界上應(yīng)該存在一種與電子質(zhì)量相同、但電荷相反的粒子，這就是狄拉克的反物質(zhì)的猜想。

卡爾·安德森（1905~1991)

1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森（Carl Anderson，1905~1991）在宇宙射線實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到這種粒子——正電子。它的軌跡在磁場(chǎng)中彎曲方向與電子相反，但曲率完全一致，說(shuō)明它的質(zhì)量和電子相同、電荷相反。

趙忠堯（1902~1998）

必須指出的是，1929年，中國(guó)著名物理學(xué)家趙忠堯最早發(fā)現(xiàn)了正電子存在的證據(jù)，所以他被稱為是最早發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的科學(xué)家。

反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，是理論物理學(xué)歷史上的一個(gè)經(jīng)典高光事件，因?yàn)樗馕吨?，一個(gè)純粹從數(shù)學(xué)方程出發(fā)的理論預(yù)言，被實(shí)驗(yàn)精確驗(yàn)證。

那么問(wèn)題是，既然正反物質(zhì)粒子互為反物質(zhì)，為什么它們的質(zhì)量卻是一樣的？且都是正的呢？

關(guān)鍵在于，不同物理量的性質(zhì)并不一樣。

像電荷、輕子數(shù)這類量，本質(zhì)上決定粒子如何參與相互作用，它們可以在某種對(duì)稱變換下取反。

而質(zhì)量則不同，它與粒子在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，是一個(gè)更“基礎(chǔ)”的量。如果真的允許負(fù)質(zhì)量存在，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。

例如在經(jīng)典力學(xué)中，力與加速度的關(guān)系是牛頓第二定律，即 若質(zhì)量為負(fù)，物體的加速度方向?qū)⑴c受力方向相反，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)法控制的自發(fā)加速（runaway motion）。

什么是自發(fā)加速呢？我們來(lái)舉例說(shuō)明。

根據(jù)萬(wàn)有引力定律，質(zhì)點(diǎn)之間的引力如下為 其中 是指向施力物體的單位向量。

對(duì)正質(zhì)量的物體之間，顯然力都是指向施力物體的，也就是吸引力。

但現(xiàn)在不一樣了，A是正質(zhì)量（ ），B是負(fù)質(zhì)量 ，假設(shè)A在左邊，B在右邊，如下圖所示。

質(zhì)量等值反號(hào)的小球

根據(jù)萬(wàn)有引力公式，A受到B的力是向左的，也就是排斥力；B也是一樣，它受到A的同樣大小的排斥力，向右。

對(duì)A物體來(lái)說(shuō)，它的加速度為 顯然它的方向向左。

但對(duì)B物體來(lái)說(shuō)，由于它的質(zhì)量為負(fù)，它的加速度竟然與它受到的力相反，也就是說(shuō)，它的加速度也是向左的。

于是，神奇的事情就產(chǎn)生了，兩者竟然都向左加速！而且由于加速度大小一樣，這使得它們一起向左加速，彼此間的距離不變。

自發(fā)運(yùn)動(dòng)示意圖

這就是所謂自發(fā)加速，它的特點(diǎn)是：沒(méi)有外力、沒(méi)有外界輸入能量、卻不斷加速！

這顯然違反了能量守恒和動(dòng)量守恒定律，是不可能發(fā)生的！

因此，反物質(zhì)之所以不是負(fù)質(zhì)量，是因?yàn)橘|(zhì)量并不是那種可以“取反”的量，而且負(fù)質(zhì)量會(huì)破壞整個(gè)物理理論的穩(wěn)定性。

在更深層的理論中，還要求系統(tǒng)的總能量必須有一個(gè)最低值。如果質(zhì)量為負(fù)，就可能導(dǎo)致能量無(wú)限降低，系統(tǒng)不斷釋放能量而無(wú)法穩(wěn)定，這與現(xiàn)實(shí)世界顯然不符。

現(xiàn)在，我們對(duì)反物質(zhì)的理解已經(jīng)比狄拉克時(shí)代更加清晰。

在現(xiàn)代量子場(chǎng)論中，不再需要“狄拉克?！边@樣的圖像，而是認(rèn)為：

(1) 每一種基本粒子，都對(duì)應(yīng)一種反粒子，它們質(zhì)量相同，電荷等相互作用性質(zhì)相反。

(2) 當(dāng)粒子和反粒子相遇時(shí)，它們可以發(fā)生“湮滅”，釋放的是粒子靜質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量，通常以光子的形式。

未來(lái)的反物質(zhì)武器

值得指出的是，有人可能認(rèn)為正反物質(zhì)湮滅中，電荷發(fā)生中和了，但實(shí)際上，正反物質(zhì)的湮滅與電荷的中和完全不同。

電荷中和雖然也會(huì)放出能量，但它的規(guī)模小多了，因?yàn)樗皇窃从诙咧g的電勢(shì)能；而正反物質(zhì)的湮滅甚至比核彈的威力還要強(qiáng)太多了，因?yàn)樗从谖镔|(zhì)質(zhì)量的徹底虧損！

假想未來(lái)某一天，有外星人在入侵人類的路上，若已知外星人是正物質(zhì)，那么只要向它們發(fā)送一顆反物質(zhì)球體，就能讓它們徹底消失。

參考文獻(xiàn)

https://januscosmologicalmodel.com/negativemass

來(lái)源：物含妙理

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