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世界的奇妙远超人类的想象，造物主创造世界的手段如此之高明，也远不是我们人类所能理解的。 有时候，我们觉得自己好像触摸到真理了，但最后发现大自然总会给我们带来一些意想不到惊喜，那每一次惊人的发现，都让我们不得不佩服造物主高超的技艺。 但是我们人类的探索能力、创造能力也是惊人的，有时候某些东西被造物主偷偷地藏在了黑暗的角落，但最后还是被我们人类发现了。 
这就是我们今天的主题，我们找到了一个被造物主藏起来的东西，它就是反物质。我们先说反物质是啥？ 这个很好理解，反物质是正物质的反面版本，正物质就是我们身边能够看到的所有的东西，包括你在内，你家的宠物，你的老婆都是正物质，因为我们都是由质子、中子和电子构成的。 而反物质则是由反质子、反中子和反电子构成，所以问题是，这些反粒子和正粒子之间有啥区别？ 
就拿电子和反电子来说，由于我们谁也没有见过电子和反电子，所以区分它们不能通过长相，而是要通过它们所携带的一些属性。 比如说电子带负电，反电子却带正电，电子的轻子数为1，反电子的轻子数为-1，之所以说他俩互为各自的反版本，是因为他俩也有相同的地方，比如质量相同、自旋大小相同都是1/2 。 这里我再说下什么是轻子数，轻子是对电子按照质量的一种分类，所以电子就是轻子家族中的一员，由于我们发现，在实验室的任何反应中轻子的数量不会增加，也不会减少，所以我们就认为轻子数是一个守恒量，说白了就是你在创造一个电子的同时，必须创造出一个与之对应的反电子，电子的轻子数是1，反电子的轻子数的-1，结构就是轻子数不增不减，理解了吧。 
那你想要毁灭一个电子的同时，必须也要毁灭一个反电子，这样就能保证在反应的前后轻子数守恒了。 那么以上的规律就意味着，我们的宇宙中不会有净剩轻子数，说白了就是不会有电子，那么没有电子也就有没有了物质，没有了我们现在能看到的一切，包括宇宙中的各种星球。 其实也不会有质子和中子，因为质子和中子叫重子，从名字就可以看出因为这些东西比轻子重，所以叫重子，我们发现，重子数也是守恒，它在实验室的反应中总是不增不减。 因此依照现今的物理学，轻子数和重子数的守恒意味着宇宙中不应该有物质，而是什么都没有，因为宇宙一开始正反物质的数量是对称的，而且它们的轻子数和重子数相反，正反物质湮灭以后，宇宙的轻子数和重子数就是0，不会留下任何东西。 
但事实很明显，宇宙中留下了大量的物质，而反物质却消失了，这是为什么呢？这个疑问是当今宇宙学和粒子物理中最大的一个谜题。但这不是我们今天的主题，所以就不详细地说了。 那我说以上的内容，就是想让你知道两个关键点，轻子数和重子数这两个守恒量，在后面的文章中会大量提到这些名词，还有我们昨天说的同位旋，都是一些基本概念。 其实的话，等你看完整个粒子物理的内容以后，你就会发现，粒子物理大部分的内容都是基于守恒量和对称性来建立的，所以一些守恒的量子数还是比较重要的。 好，我们接着说反物质，那你现在可能会想，既然宇宙中没有反物质了，那我们是从哪里找到反物质的？以上做了大量的铺垫以后，我们就可以说今天的内容了。 
当年，大约是1925年的时候，薛定谔写出描述电子波函数的波动方程，由于它当时并不知道电子自旋的概念，所以它的方程是非相对论性的。 也就是它的方程不是在狭义相对论的基础上建立的，而这个工作最后是在1927年的时候由狄拉克完成的，通过狄拉克的相对论性的波动方程，就可以完美地解释氢原子的光谱问题，而且还能推导出电子的自旋值为1/2，那在这之前电子的自旋完全就是一种猜测，没有任何根据。 但是描述电子的自旋只需要两个分量，但是狄拉克的方程却导出了四个，而且还出现了负能解，负能解描述的是负能量电子的运动。 
负能量这是什么鬼？完全没见过，最好的解决办法就是忽略这个没有物理意义的解，但狄拉克不一样，他的物理直觉告诉自己，这个解可能还真有物理意义。 
其实出现负能量的问题，并不是狄拉克首先遇见的，在爱因斯坦描述物质携带能量的公式中，能量那一项有个平方，这也意味着能量可能具有正负。那正能量最低值就可以是MC²，负能量最大的值就是-mc²，正能量世界和负能量世界中间有一个宽度为2MC²的间隙。 由于爱因斯坦的这个方程完全就是描述经典世界的方程。经典世界中的宏观物质它是连续运动的，不可能通过连续运动越过中间这么宽的能隙，所以当时人们就忽略了这个负能量的解。 但是量子世界不同，它是间断性的，随着波函数的扩散，粒子喜欢神秘的跃迁，越过能隙也是有可能的，所以狄拉克就算了一下，这原子中的电子是有一定的几率会在10^-8秒跃迁到负能级的。 如果真发生这样的事，那后果非常严重，氢原子的电子就会一瞬间消失掉，跑到负能量的状态上，整个物质世界都会崩溃掉的。 
所以狄拉克觉得不能回避这个负能级了，因此他就要解释为什么电子没有跑到负能级上？为了解决这个困难，狄拉克就想到泡利的不相容原理。 这个原理说的是，两个全同的费米子，不能待在同一空间。由于电子的是费米子，因为它的自旋是1/2，所以在原子的空间中不存在两个量子态相同的电子。 这就可以解释为什么电子没有跃迁到负能级了，因为负能级的轨道都已经被具有负能量的电子填满了，所以正能量的电子跃迁不下去了。 这样的解释就意味着，如果我们给这个负能量电子提供以能量，它们就会被激发到正能态，这是由于一个电子跑了，那在真空中就会出现一个空穴，这个空穴就相当于一个正能粒子，但是它的电荷和电子相反，质量和自旋以及所有的性质都和电子一样，它就是正电子。 
这就是狄拉克对正电子，或者是反物质的预言。大约就在同一时间，我国核物理方面的鼻祖赵忠尧，他在加州理工大学跟过密里根，在卡文迪许实验室跟卢瑟福一起工作过，1931年回国，为祖国效力。 就在1930年的时候，赵忠尧当时正在用高能γ射线轰击物质，观察物质对γ射线的吸收规律，他就发现了一个反常的现象，物质经过伽马射线撞击以后，会朝着不同的方向辐射出一个能量为0.5Mev的γ光子，不仅反向是随机的，辐射出来的γ光子的能量也是确定的。 
这个现象不能用伽马光子与核外电子的散射来解释，更像是与原子核的相互作用，当时就把这个过程叫做反常核吸收现象。 这是赵忠尧首次发现的，所以也叫赵忠尧特征辐射，后来很多的同行都发现了这个现象。到了1932年，美国物理学家卡尔·安德森在山上研究宇宙线的时候，就在云室中发现了狄拉克预言的正电子。 云室我们之前说过，它可以显示粒子的径迹，我们在把云室放在磁场中，根据带电粒子在磁场中的偏转情况，我们就能看出这个粒子带正电还是负电，还能算出粒子的电荷，质量之类的信息。 所以安德森只用了一个晚上的时间就确认了这是正电子，就是狄拉克预言的反物质。正是因为这个工作安德森获得了1936年的诺贝尔物理学家奖。 
正电子发现以后，人很快就对赵忠尧特征辐射做出了解释，这就是狄拉克所说的，给真空赋予能量，会从真空中激发出一个电子，产生一个空穴（正电子），随后电子又落回到空穴，也就是电子和正电子湮灭就变成了两个光子，之所以是变成两个光子，而不是一个光子的原因是，两个光子可以朝着相反的方向射出去，这样就能保证不仅能量守恒了，动量也守恒了，那之所以每个光子的能量是0.51Mev，其实这就是一个电子的质量。 那在这个过程中原子核在干嘛？原子核是为了保证整个能量的转化过程是守恒的，因为一个γ光子不可能直接变成两个正负电子对，这样的话不能保证动量和能量同时守恒，因此需要第三者的参与，就是原子核。跟刚才上面的情况一样。
现在这个效应还有一个名字就叫正负电子对效应，说的就是一个高能γ光子入射物质以后，被原子核吸收产生正负电子对的现象。 这里我再补充一下，当光子入射物质以后，从低能量到高能量会发生一下三种情况，光电效应、康普顿散射、以及正负电子对效应。 那我们下面再说最后一个问题，为啥赵忠尧没有获诺奖，他可是首次发现了正负电子的产生，以及湮灭的过程。 原因其实很简单，他只是对这种现象做出描述，并没有具体去解释现象，更没有说γ光产生了正负电子对，如果他能以辐射光子总是0.51Mev 的能量推断出，这就是正负电子湮灭以后释放的，那可能会有机会和安德森分享诺贝尔奖，这也算得上是间接地发现了正电子。所以赵忠尧与反物质看似是一步之遥，其实还有很长的距离。 总的来说，狄拉克的空穴理论意义重大，他让我们发现了一个不一样的世界，其实不光有反电子，我们现在所知的所有的粒子都具有自己的反物质版本，之所以会这样，完全是因为上帝在创造世界的时候，最底层的逻辑就是对称性。 这也是为什么我们现在很多无法解释的物理现象都需要在对称性的自发破缺中才能找到答案。最后我再补充一点，狄拉克的空穴理论，其实只是为了让我们更好地理解反电子的由来。 最后我们发现所有的粒子都有自己的反版本，所以这个空穴理论就没用，应该从书中删掉，但是这个例子比较形象，所以一直保留着。因此真空中没有被电子、质子、和中子填满，产生正反物质就是因为能量到物质的转化，遵循了对称性的要求。 好了今天的内容就到这里，下节课我们说中微子的发现过程。 |
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