人类是怎么发现反物质（反物质是如何提出的）

1928年的一天，著名物理学家狄拉克坐在自己的椅子上，翘着二郎腿，长舒了一口气。他刚刚完成了一项伟大的工作，把量子力学领域的薛定谔方程和宇宙量级上的相对论进行了结合，提出了属于他的狄拉克方程。

薛定谔方程，是用来描述微观粒子运动的。可是，这个方程也有一个问题，他在计算粒子速度的时候，使用的是正常世界的公式。而在微观世界，粒子都是以接近光速的速度运动着，用宏观世界的公式就显得不合适了，而是要考虑到相对论的效应才可以。

那么，相对论是什么效应呢？

相对论告诉我们：物体的移动是不能超过光速的。举个例子：在赤道上，地球的自转线速度是1670km/h，如果你在赤道上向正东方向以30公里的时速前进，按照宏观世界物体的速度变换公式（伽利略变换），那就是1700km/h。这是没问题的。但如果你在一个0.8倍光速的车上以0.3倍光速向前走，然后还是按照这个方式计算，岂不是1.1倍光速了？

实际上，在接近光速的级别时，我们需要运用另一种速度叠加公式（洛伦兹变换）来计算，那就是：

如果你愿意试一下的话，就会发现，当两个叠加的速度都很小时，分母几乎等于1，这个公式和伽利略变换就没什么区别；而当它们接近光速乃至等于光速的时候，计算结果也永远无法超过光速。

于是，狄拉克就把这个变换公式运用到薛定谔方程（当然，其实这里还有其他很复杂的计算和理论，咱们简单地理解一下就够了），从而推导出这个让他满意、让其他人都惊叹不已的狄拉克方程（方程很复杂，我们就不引用了）。

就在狄拉克沾沾自喜的时候，其他科学家提出了疑问：不对啊，你这个方程，搞出了负能级的电子，这是咋回事？

好吧，咱们又得跳戏了，讲一讲什么叫负能级。

这个就容易解释一些了，就是说一个原子在正常状态下，电子安稳地围绕原子核旋转，这个状态叫做基态。可是，如果有外界给这个原子施加能量，电子吸收了能量，就跟打了鸡血一样，开始“上蹿下跳”。借用网上的一个比喻，基态下的电子，就相当于一辆车的空档，被激发的电子则像挂了1挡、2挡、乃至5挡一样，嗖嗖跑。

而狄拉克方程告诉我们，电子还有负能级，相当于一辆车还有负挡。当然，这个“负挡”和倒挡还不太一样，而是说电子已经违背常理了。

狄拉克把翘着的二郎腿放下来，陷入了深深的思考之中。他提出了一个想法，说负能级的确有，但是已经被电子填满（泡利不相容原理，反正这个理论是错的，不用深入了解），所以我们观察不到。这些负能级电子就像淹没在海洋里了一样，故而提出了迪拉克之海的概念。

这个概念本来就很牵强，就像爱因斯坦提出的宇宙常数一样。很快，海森堡、泡利等人就提出了质疑。最终，狄拉克承认，这个方程相当于一个预言：这些负能级的电子，实际上是带一个正电荷的电子（普通电子带一个负电荷），质量和电子相同，因此这种电子被命名为反电子。

狄拉克的预言很快就被证实，美国物理学家安德森在用云室研究宇宙粒子的时候，就发现了在云室的磁场中和电子偏转方向完全相反，但是角度完全相同的粒子。学过高中物理的朋友可以看出来：偏转方向相反说明电荷相反，角度相同说明质量相同。显然，这个就是反电子。

就这样，人类第一次发现了反物质。

接下来，1955年，美国劳伦斯辐射实验室发现了反质子；1965年，美籍华裔物理学家丁肇中发现了反氘核；1995年，欧洲核子研究中心的科学家甚至合成了反氢原子。

那么，科学家为何如此执着于反物质呢？它究竟有何用处呢？我们下一期再介绍。