反物质是神马工科.docVIP

反物质是神马 在许多人心目中，科学发现是一个不断创新，不断打破传统观念的过程。只有推翻一个旧理论，我们才能创建一个新理论。比如世界上的反动学术权威普遍认为，公羊不能下蛋，母鸡无法产奶；我们就不信邪，大胆的提出公羊也能下蛋，母鸡亦可产奶的伟大假说，彻底推翻了束缚了人们上万年的旧理论，为科学的飞跃式发展指明了方向。 以上的发现不是科学，是幻觉。 那么，真实的科学发现，尤其是那些匪夷所思的科学发现又是怎样产生的呢？比如说反物质神马的，最神奇了，和物质碰在一起就会湮灭，变成高能辐射。这难道不是科学家推翻了传统的物质理论之后发现的吗？如果物质可以反，那么会不会也有反能量，反空间，反时间，反宇宙呢？这事要想说清楚，还得从相对论开始。 反物质是相对论下的蛋 说起爱因斯坦的相对论，大家实在是太熟悉了，光速不变，钟慢尺缩，双生子佯谬，隧道跑火车，可谓科学界的唐诗三百首，令人“不会作诗也会吟”。除此之外，相对论的又一大贡献是发现了质能守恒定律： 有了它，人们才弄明白万物生长靠太阳，太阳发光靠mc平方；有了它，人们才懂得利用核能；也正是有了它，狄拉克在1928年才发现了自然界存在着反物质。 质能守恒定律为什么能预言反物质的存在呢？让我们先从一个简单的例子来理解一下它的意义。如果你还记得高一物理，一定还对牛顿力学中物体的动能公式有印象：这里E_k是物体的动能，m是质量，v是速度。换一种更一般的写法就是，其中p=mv是物体的动量。1926年，奥地利籍物理学家薛定谔，将量子的波动性思想和后一个版本的能量表达式结合起来，发现了薛定谔方程——量子力学量力学，从此物理专业的大学生又多了一门考不过的课程[1]。 这样想想科学发现好像也不太难吗！你看这么简单的公式，往量子力学一应用，就是一套学问，这我也会，慢着，如果物理学真有这么简单，那么人人都能拿诺贝尔奖了。实际上，我们高中学过的那套公式是牛顿力学中唯一正确的动能表达式，其他说法中所谓的“能量”并不守恒。不守恒的能量有如“屠龙之术”，世界上又没有龙，屠不屠龙没什么意义。 在相对论力学中，动能，动量和（静）质量的关系有点儿复杂，不知道大家看出来没有，和牛顿力学相比，这里的能量多了一个平方号，成了一个二次方程（其中c是光速）。如果你还记得初二数学，会想起二次方程有两个解。把上面的方程移项，开平方，得到关于能量的解应该是正负两个！能量怎么会有负的呢？恭喜你，已经接近反物质啦！ 和牛顿力学一样，上式的能量定义是狭义相对论中的唯一正确的守恒能量，大家不需要再去做别的尝试。我们常见的mc平方的表达式正是本式的简化版本。1927年到1928年间，英国物理学家狄拉克受到薛定谔方程的启发，也打算把这个能量公式应用到量子力学中去，看看能得到什么。这个想法实现起来极其困难，因为能量、动量在量子力学中是一堆微分算符，怎样让算符开根号呢？狄拉克天才地把微分算符开了根号——不服的话不妨试试看，保证泪流满面——得到了相对论性的量子力学方程（或场方程），就是狄拉克方程。在狄拉克之前一定有人想过这样试试，但是只动嘴皮子没有用。仅仅有想法不能算科学发现，只有找到人们从未发现的，支持自己想法的证据，或者说可以被验证的结论，例如方程，方程的解，对现象的预言等等，才能算作科学发现。 狄拉克方程是一个伟大的科学发现。正如相对论性的能量方程，狄拉克方程也有正负两个能量的解。那么，负能解会不会像“屠龙之术”一样，毫无意义呢？或许有人这么想过，但天才狄拉克有更加奇妙的想法（其中还有奥本海默和外尔的贡献[2]）： 如果把真空看作是负能态被电子填满的海洋，此时若有一个占据能量态为负E的电子从海洋跳出来，那么海洋之中就少了一个带负电荷e的负能电子，多出来一个负能的空穴。如果反过来看，少了一个负的等于多了一个正的，就等效于真空海洋中多出来一个能量为E，带有正电荷e的反粒子。 于是，狄拉克方程做出了一个可以被验证的预言：自然界中存在电子的反物质，它的质量和电子相同，电荷和电子相反。1932年，美国物理学家安德森（Carl Anderson）在对宇宙射线的研究中发现了正电子的存在。因此，狄拉克和薛定谔分享了1933年的诺贝尔物理学奖，安德森和它的合作者分享了1936年的诺贝尔物理学奖。 云室里看到的正电子“轨迹” 随着量子场论的发展，人们不断的从实验中发现各种基本粒子对应的反物质——每一种都是某种已知基本粒子的“镜像”，除了质量相同外，其他量子性质完全相反（有些粒子的反粒子就是它自身）——无一不是由相对论性的量子场论方程所预言的。“电子海”的物理解释由于其局限性渐渐不常被人们使用，“负能量”的疑惑可以被更加完备的量子场论所自洽的解释，我们暂时不表。 可见，追根溯源，反物质就是相对论下的一个蛋。没有相对论，就没有相对论性的狄拉克方程，也就没有对反物质的预