第五百零五章 巨大的惊奇: 反物质（2/2）

把质子视为空穴的看法还牵涉到一个逻辑上的困难。基于方程的对称性，可以证明空穴必须具有和电子相同的质量。但是，一个质子当然应该具有比电子大得多的质量。

1931年，狄拉克收回早先认为空穴就是质子的观点，接受了他自己的方程的逻辑结果，并提出了一个动力学真空的要求“一个空穴，如果存在的话，会是一种实验上尚未发现的新的基本粒子，它具有与电子相同的质量和相反的电荷。”

1932年8月2日，一位美国实验家卡尔·安德森正在研究宇宙射线在云雾室留下的径迹的照片，他注意到一些径迹，它们如同所预期的电子那样的失去能量，但却被磁场偏转到相反的方向。他把这个现象解释为暗示着一种新粒子的存在，现在称之为反电子或正电子，它具有与电子相同的质量但相反的电荷。具有讽刺意味的是，安德森完全不知道狄拉克的预言。

在距狄拉克的房间几千英里之外的圣约翰，狄拉克的空穴——他的理论设想及其修订版的产物——被发现了，是从帕萨迪娜的天空降下来的。所以从长远的观点看，“坏”消息结果成为“更好”的消息。负能的青蛙成为正电子王子。

如今正电子已不再是令人惊奇的东西，而是一种工具。一个著名的应用是拍摄正在活动的大脑的照片——pet扫描，即正-负电子断层摄影术。正电子是如何进入你头部的呢？它们是通过注射把一些特殊的分子偷偷地送入的，这些分子包含有一些原子，它的放射性核将衰变出产物之一的正电子。这些正电子走不了多远就会与附近的电子发生湮灭，通常会产生两个光子，它们穿过你的颅骨跑出，就可以被探测到。然后你可以重建原始分子的去向，映射出新陈代谢，也可以研究光子在出射过程中的能量损失，得到一个密度分布图，最后得到脑组织的图像。

另一著名的应用是用于基础物理。你可以同时将正电子和电子加速到很高能量，并把两束粒子引到一起。然后正电子和电子会湮灭，产生高度密集形式的“纯能量”。在过去的半个世纪中，基础物理绝大部分进展都是基于世界各地一系列大型加速器上的这类研究，其中最新最大的是位于日内瓦之外cern（欧洲核子研究中心）的lep（大型电子-正电子）对撞机。稍后我会讨论这个物理的极具魅力的要点

狄拉克空穴理论的物理思想，如我提到的，具有部分早期重原子研究的根源，也大规模地反馈到固体物理中。在固体中，我们有一个尽可能低的能量的电子的参考组态或基本组态，在那里电子占据了上至一个确定能级的所有可能的状态。这个基本组态类似于空穴理论中的真空。也存在着一些较高能量的组态，在那里一些低能态没被任何电子占据。在这些组态中，有一些通常会被电子占据的空位或“空穴”——这是它们在技术上的称谓。这样的空穴在很多方面的行为都像带正电的粒子。固体二极管和晶体管都是基于对处于不同材料界面处的空穴和电子密度的巧妙控制。也有一种可巧妙地把电子和空穴引导到一个它们可以结合（湮灭）的地方的可能性。这使你可以设计出一个能非常精确控制的光子源，导致了诸如led（发光二极管）和固体激光这样的现代技术支柱。

在1932年后的若干年中，许多附加的反粒子事例被观测到。事实上，对每一个已经发现的粒子，其相应的反粒子也都被发现了。有反中子、反质子、反m子（m子本身是一个非常类似于电子的粒子，但是更重一些）、各类反夸克、甚至反中微子以及反p介子、反k介子……。其中的很多粒子都不遵从狄拉克方程，有一些粒子甚至不遵从泡利不相容原理。所以反物质存在的物理原因必须是很普遍的——比最早导致狄拉克预言正电子存在的论据要普遍得多。

事实上，存在一个非常普遍的论点：如果你同时运用量子力学和狭义相对论，则每一个粒子必须有一个相应的反粒子。这个论点的严密的表述需要高深的数学背景或者极大的耐心。在这里大概地说明为什么反物质是同时运用相对论和量子力学的合乎情理的结果将会是令人满意的。

考虑一个粒子，让我们给它一个名字（同时强调它可以是任何东西），不妨称之为一个什穆，以非常接近光速的速度向东运动。根据量子力学，它的位置实际上存在一些不确定性。所以你会发现这样的一些几率：如果测量什穆的位置，在初始时刻，它处在期望的平均位置偏西一些的地方，稍后又在期望平均位值偏东一些的地方。这样，在这段间隔内，它走得比你预期的要长一些——这意味着它走得更快。但是因为预计的速度基本上是光速，为容纳这个不确定性需要更快的速度，它预示着将违反狭义相对论，在该理论中粒子的速度不能大于光速。这是一个佯谬。

用反粒子，你可以摆脱这个佯谬。这就需要精心策划，让一些怪诞的想法协调一致，这是人们想出的如何做这件事的唯一方法，它似乎就是大自然的方式。是的，其中心思想是：不确定性确实意味着，你能在狭义相对论告诉你不会出现什穆的地方发现它——但你观测到的那个什穆不一定就和你要找的那个一样！因为也有可能在稍后的时刻会有两个什穆，一个原来的和一个新的。为了使其自洽，还必须存在一个反什穆，用来平衡电荷，抵消可能与额外的什穆相关联的其他守恒量。能量的平衡又怎么样呢——是不是我们取出的能量比投入的更多？这里，常常就像在量子理论中那样，为避免矛盾，在考虑测量某物意味着什么时，你必须是明确的和具体的。测量什穆位置的一种方法是用光照射它。但是要精确测量快速运动的什穆的位置，我们必须使用高能光子，那时也存在这样的可能性，这样的一个光子会产生一个什穆-反什穆对。在那个情形下——封闭的什穆圈——当报告你的位置测量结果时，你可能论及的是别的什穆！（未完待续）