1、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（18511934）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 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：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；电子的磁矩值可以直接从
2、方程得到；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；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
3、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 ，可以得到 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的两种解，粒子总共就有 224 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
4、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
5、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
6、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
