试听180秒073【科技第23课】为什么我们这个世界主要由正物质主宰，鲜有反物质？

今天我们谈谈反物质。反物质可能到今天为止在人类历史上、地球上所有可见的物质中最贵、最值钱的东西。可是我们经常，不管在日常中还是在科幻中中都会提到反物质发动机。反物质发动机就是：如果我们准备质量相等的一堆物质和一堆反物质，它们之间进行湮灭反应，就是一个物质跑到另外一个物质上，然后完全消失变成光，我们知道光是纯粹的能量。它就给飞船或者别的机械提供纯粹的能量。

那么，通过爱因斯坦的质量可以转化为能量的关系，这个就是活生生的，典型的质量转化成能量的例子。反物质加上物质的质量，就好比他们一头扎入对方的怀抱里，质量消失了，变成光。光的质量0，它只有能量。这个时候，我们还可以按照能量守恒的原理，计算出反物质和物质变成光到底有多大能量。今天我们在这里也不算了，只是重复一下爱因斯坦的公式：能量=质量*光速2。我们就可以想象1克物质和1克反物质产生的能量到底有多大。

我们说一下大亚湾核电站发了那么多电，这些一年发出的电，其实真的只需要1千克物质和1千克反物质就够了。但是，我们却没有那么多反物质。因为，现在除了宇宙射线中的反物质，只有人类在高能粒子加速器里才能产生反物质。一年产生的反物质少得可怜，大约是一亿分之一克。因为我们只能在高能粒子加速器里才能产生反物质，是要消耗很多钱的。我们通过高能粒子加速器的形式把电力的能量转化成粒子的能量，在粒子碰撞过程中，产生了反物质，所以这1克反物质非常值钱，大约价值62.5万亿美元。你想想，美国的一年工业总产值达不到那么高，所以是非常昂贵。我之前说过，全世界的加速器加起来，一年只能产生万分之一克的反物质。

接下来我们谈谈反物质的发展过程。反物质的发展过程离不开量子力学的发展。量子力学领域有一个非常著名的应该物理学家，叫保罗·狄拉克。他对量子力学做出根本性的贡献，并因此获得诺贝尔奖。可是在量子力学发展之后的两三年间，人们又想把量子力学和爱因斯坦的相对论结合起来，特别是狭义相对论。所谓的狭义相对论就是不讲万有引力，只讲时间和空间。保罗·狄拉克把爱因斯坦狭义相对论和量子力学结合起来后，在1928年得到了一个非常有名的方程，就叫保罗·狄拉克方程，英文就是“Dirac Equation”。这个方程一出来，大家就觉得神了。因为，你要把狄拉克方程应用到电子上预言了两件事，第一它自动地产生了电子的小磁棒。我们都知道电子有自旋，像一个小陀螺。它一旦自旋起来，假定电子有大小，产生在电子表面的电流就会产生一个类似小磁铁一样的东西。

但是我们又知道，在量子力学里，电子是没有办法像陀螺一样旋转的。它是一个点状的，没有表面，因此它不会产生电流。那么它怎么产生小磁铁？这一直是个谜。狄拉克通过狄拉克方程就自动解释了电子有这么一个类似小磁铁的作用。而且，他把他的方程用到了氢原子中，就自然而然地获得了很多很多，以前物理学家假设的东西。就是，在氢原子力，我们知道，最早是海森堡和薛定谔解决氢原子的光谱的问题。解决氢原子的光谱问题实际就解决了电子怎么样在氢原子里运动的物体。因为电子从一个状态到另外一个状态，就会发出光。所以，发出的光谱是电子如何在原子里运动有关。而有些运动的特点，量子力学时代的人们并不知道。那么狄拉克方程直接预言，就是应当这样的，不可能有别的。

接下来我们要谈到狄拉克方程另外一个令人惊讶的特点：它突然预言了反电子的存在，也就是反物质的存在。当然那个时候没有反电子。所谓的反电子在今天叫“正电子”。为什么呢？我们通常把电子带的电认为是负电，当然这也是历史上的假设，约定俗成。如果我们把原子核带的电认为是正电，那么电子带的电就是负电。它的反物质带的电荷是跟电子相反的，所以带的就是正电荷。因此，叫正电子。但是，我们在这里必须强调一下，反物质除了质量，其他的都是相反的，质量不能相反，不能误导别人。不少人认为：反物质就是带了负的质量。这种想法是不对的。它还是带着跟物质粒子一样大的质量。比如，电子的反电子，即正电子，它的质量跟电子的质量是一模一样大的。

但是，当时狄拉克的方程还是遇到了麻烦。他的方程预言了正电子，但是当时的正电子并不存在，没有人发现正电子。但是只有带同样大的正电荷的质子，他就说我的方程预言的反物质就是质子。但是它没有办法解释质子的质量是正电子质量的2000倍。因此正电子质量和电子一样，质子的质量就是电子质量的2000倍。如果正电子的质量和电子的质量一样大那它就比质子小2000倍。如果一定要说电子的反物质就是质子，这又怎么解释？

狄拉克一开始是这么认为的：我现在解释不了，未来会解释的。但是，到了1930年，很快就有一个叫安德森的实验物理学家就在实验室里发现了正电子，他发现正电子的质量跟电子真的一模一样大，证实了狄拉克方程的预言。因此，从此物理学家，包括狄拉克本人认为他的方程的预言正电子，并不是质子，就是正电子，其质量跟电子一模一样大的。自从安德森发现反电子，也就是正电子之后，反物质就被接连不断地发现。

所以，反物质是一定存在的。到了1995年，欧洲核子研究中心的科学家，在实验室制造出了世界上第一批反原子。我们偏偏把只有反原子叫做反物质，如果不把反电子叫做反物质

可能是1995年。因为，物质就是我们现在看到各种东西，比如桌子、椅子等的组成部分，是原子组成的。1995年，欧洲核子中心确实造出反原子，它无非实现造出一个反原子核、质子的反物质。质子的反物质叫做反质子。制造反质子，再制造正电子，让正电子绕着反质子转，它们正好可以运转。因为反质子这个时候就带负电荷，因为它的电荷必须跟质子相反。所以，1995年，反氢原子就造出来了。

我们来解释解释为什么说狄拉克将量子力学和相对论一旦结合起来就会产生正电子？这件事情在狄拉克时代会觉得十分神奇。特别是狄拉克方程被认为是一个非常神奇的方程。当时，并没有人知道存在的物质必然存在反物质。后来，有一种理论叫做所谓的“量子场论”，让人们可以证明反物质的存在，特别是泡利，证明了如果相对论是对的，量子力学是对的，他还假定了其他条件，那么一个粒子必定会有一个它的反粒子。

后来，美国的物理学家就是费曼。费曼虽然去世了，但是他已经成为一个公众人物了。费曼通过一个简单的演示就说反物质一定存在。比如，我画一个电子，你知道在时间和空间里电子是一条线。电子哪怕不动，它在时间空间里也走了一条线。比如，在空间里电子不动，但是我加上时间这条轴的话，那时间一直在改变，所以电子在时间方面是一条线。假设空间是一根轴，在这个轴上电子不动，也就是说在这个轴上电子是固定的，但是我再加上时间这条轴，使其垂直于空间这根轴，那么电子就动起来了。电子在时间上是动的，它是平行于时间的。所以，在四维时空里面，一个粒子的轨迹是一根直线。爱因斯坦早就知道了。但是费曼说，其实还可以让电子的这跟直线拐弯。怎么拐？本来电子的时间轴是往上走的，拐弯后，它就向下走了。这样就多了两条轨迹。同一个电子其实就等于电子又穿越回到过去。它已经反着时间轴走，不是穿越到了过去吗？那么，我们如何解释这个穿越回去的电子。这个粒子如果随着正的时间方向看，它是什么粒子？它就是正电子。所以，费曼说，我证明了所有的粒子都可以拐弯，拐弯后出来的轨道上的粒子随着时间正的方向来看，它就是反粒子。所以，反粒子必然存在。

最后，我们再讲一下我们世界的反物质为什么是不平衡的。在我们的银河系里，偶尔会看到高射线里有反物质。但是我们没有看到反恒星的存在，也没有看到反行星的存在。换句话说，银河系中绝大部分的物质都是正的物质。它们是由正的质子、中子、电子形成的。而并没有说一个星球上所有的原子是由反质子、反中子、反电子组成的。甚至，我们通过天文学观测看到银河系外的星系，大部分也是物质构成的。也就是说，在我们肉眼可及，用望远镜可以探测到的整个宇宙的地方，绝大部分地方都是物质，没有什么反物质。如果有，也是占极少数的。这就引出了我们的宇宙主要是由正物质构成的，没有反物质的说法。

过去，前苏联的著名物理学家萨哈罗夫，他就提出三大条件来解释为什么我们这个世界只有正物质，没有反物质。我们就解释一下其中两大条件。

第一大条件：原则上存在一个更高级的理论，在这个更高级的理论中，电荷是不守恒的，物质是不守恒的。什么意思？电荷在原则上是可以凭空消失的，但是在现有世界中做不到这点的。第二大条件：时间繁衍的不对称。我们把所有的物理过程拍成电影，倒过来放，这个电影是没办法在物理世界真正出现的。最后一个就是在宇宙早期，会出现不平衡的状态。

我们解释一下为什么要求物质不守恒。如果在早期一开始，有物质和反物质一样多，突然现在多出来物质了，那么物质本身就不应该守恒的。多出物质，没有多出同样多的反物质就是不守恒。再者，一定要出现一个不平衡的过程。学过一点热平衡的人都知道，如果热平衡出来以后，哪怕是物质和反物质是不守恒的，但是我们也要根据热力学，物质和反物质也是一样多的。

最后，为什么是时间繁衍不对称？我们前面讲过费曼的规则，如果时间繁衍是对称的，那么物质的繁衍是反物质，反物质的繁衍是物质，那么也很难做到物质和反物质不一样多。