反物质的发现史

反物质的发现史

作为物理学的一种概念和一种思想，反物质早在1898年就曾被英国科学家舒斯特（1851～1934）大胆地作过预言，他认为既然物质是由带正、负两类电荷组成的，那么物质也应该有正反两种．他甚至预言，在宇宙空间可能存在着反物质组成的恒星和星云．然而舒斯特的预言没有科学论证，仅是一种臆测．后来狄拉克对反物质的预言作出了严格的理论论证．

1928年元月，狄拉克用四行四列矩阵代替泡利的二行二列的δ矩阵后，成功地把非相对论性的薛定谔方程推广于相对论情况，得到了著名的狄拉克方程．这一方程立即带来了四项伟大的成就：①电子的自旋是狄拉克方程的自然推论，而不像薛定谔方程需要人为的加上去；②电子的磁矩值可以直接从方程得到；

③应用到氢原子时方程能够自动得到氢光谱精细结构的索末菲公式；④可以计算出光和相对论性电子的相互作用．这四项成就表明，狄拉克方程将量子力学中原来各自独立的主要实验事实，统一到一个具有相对论性不变的框架里．

但是，在取得这些巨大成就的同时，也出现了一个严重的困难，这就是负能态之谜．由狄拉克方程可以得出，电子应当有四个内部状态，于是其能级应该是非相对论性解的四倍．薛定谔方程引入自旋后，能级值变成二倍，但这是人为引入的，显得十分不自然．狄拉克方程改变了这种不自然的状况，自旋是方程的一个自然推论．但是，还有两个状态意味着什么呢?经过苦苦思索后，狄拉克认为这种状态数加倍的原因是因为存在负能量．负能量概念的产生，在物理学思想史上是一件非常有趣而又令人深思的事件．根据相对论中能量与动量之间的联系式

Ｅ２＝ｃ２ｐ２＋ｍ２ｃ２，

可以得到Ｅ＝±．

在经典物理学中，负值肯定会被认为是增根而舍去．最开始，狄拉克也认为Ｅ的负值应该排除，但是，后来他有新的看法，他认为在量子力学中不能将负值作为增根删去，相应于负的能量值的解应当具有物理意义．这样，每一个自旋方向都有Ｅ的两种解，粒子总共就有2×2＝4个内部状态．可是，说电子具有负能状态，这不仅过分离奇而且会引出很多佯谬．

首先，由于负能级没有下限存在，原子结构的稳定性成了问题．因为根据量子力学原理，力学量可以从一个值不经中间值而跳到另一值，这样，一个处于正能态的粒子就可以无限制地向更低能级跳跃，好像在无底的深渊里不断往下落，原子就不可能稳定．这显然与事实不相符．其次，有了负能态的电子，其行为将无法解释．对一般电子，当它与其他粒子相碰损失能量后，它可以跃迁到负能级并不断加速，直到它的速度等于光速，这与相对论又发生了冲突．

这些佯谬引起了严重困难，到1929年12月，经过一年多的艰难探索，狄拉克提出了一种新的真空理论，即所谓“空穴理论”来防止电子的灾难性加速．在狄拉克提出新理论之前，真空被视为极其简单的基态，是纯粹的一无所有的虚空，具有高度的对称性，即使是非相对论量子力学，也是这样看待真空的．但按狄拉克的理论，真空并非纯粹的“虚无”，而是所有电子负能态的“空穴”都被电子填满，形成一种所谓“负能态的电子海洋”，与此同时，正能态的能级都是空着的．这也就是说真空是负能态填满而正能态真空的状态，是能量最低状态．

为什么这种真空理论能解决电子的灾难性加速呢?由泡利不相容原理可知，每一确定的电子状态只能容纳一个电子，那么，负能态的空穴既然已被电子填满，那么正能态电子理所当然就不能再往负能区域跃迁，这就保住了原子的稳定性．在负能态的海洋中，如果有一个电子受到激发而跃迁到正能级，这一过程可以看成是正能态电子从正能级跃迁到负能级的反过程，因而负能级电子从“真空”跃迁到正能级后在负能级留下的空穴，就相当于一个具有正能量的电子，这个空穴就是反物质概念的原型．虽然狄拉克用纯数学的方法对电子自旋和磁矩的解释非常成功，同时也用数学方法推出了新的粒子，但绝大多数著名物理学家都对狄拉克的理论持怀疑态度．

1931年5月，狄拉克虽然接受了许多批评，但硬着头皮说：“如果存在一个空穴的话，它将是一种

实验物理尚不知道的新粒子，它具有与电子相同的质量和相反的电荷”．狄拉克最初将这个预言中的新粒子叫“反电子”，后来安德逊称它为“正电子”．

1932年8月，美国物理学家安德逊在宇宙射线中发现了正电子，9月他在《科学》杂志上公布了这一发现．这一发现具有极其重大的意义，他证实了狄拉克的真空理论和反物质的概念，人类对物质世界的认识至此又完成了一次大的飞跃．

正电子发现后，科学家们又发现了质子的反粒子——反质子，接着人们又先后发现了中子、介子、超子等其他粒子的反粒子．由此可见，研究对象进入核内层次，从而使得直观性几乎彻底丧失，数学抽象就作用越来越重要了．