我在 《漫談暗能量與反物質 （中）》（見 《科普時報》 2020 年 1 月 17 日第 3 版》 中寫道：長期以來，反物質一直是科學界備受關注的焦點，儘管小說 《天使與魔鬼》 中的“反物質彈”尚不存在，但物理學家已使用強大的核粒子加速器，製造出了極小量的反物質用於研究。

那究竟什麼是反物質呢？

讓時間回到1898年，德國物理學家阿瑟·舒斯特在致《自然》的一封信中，首次提出了反物質的概念，他認為世間存在反原子，甚至由反物質組成的太陽系。這在當時雖然好似科幻一般，卻被嚴肅的權威科學雜誌刊登了出來。

漫談暗能量與反物質（下）

上個世紀初的1905年，愛因斯坦提出了俠義相對論，指出其實時間和空間並非絕對，而是相互聯絡的。舉個最簡單的例子，如果一輛車以速度“V0”行駛，同時車上有一個人以速度“V1”行走，那麼這個人相對地面速度“V人”是多少呢？這要分兩種情況來分析了：

第一種情況是在非相對論、即經典力學的情況下，“V人= V1+V0”。要是車速是光速、人相對車的速度也是光速，那麼V人就等於二倍的光速。這種變化就是所謂的“伽利略變換”，在經典力學中，採用以在兩個只以均速相對移動的參考系之間的變換方法，屬於一種被動態變換；

第二種情況就是在相對論中，大家知道物體速度的極限是光速，那麼人相對於地面的速度，就要用“洛倫茲變換”了（這兒就不顯示其數學形式了）：如果V0和V1都遠小於光速，這與經典力學類似；但是，如果V0和V1接近光速的話，從洛倫茲變換公式可以看出，只要它們的速度不超過光速，最後的結果，即人相對地面的速度就不會超過光速。也就是說，在相對論中，即使這個人在一個光速的車上奔跑，人相對地面的速度也不會超過光速。

接著，量子力學出現了，我在之前的文章中介紹過，在量子力學中有個波函式的概念——即薛定諤方程，但這個方程還是用了非相對論的形式。那麼問題來了，量子的速度都非常快，如電子的速度接近光速。好像不太對了，應該改為相對論形式了吧。

於是到了1929年，量子力學的另一位奠基者、英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac），提出了著名的狄拉克方程（也不顯示其數學形式了）。在這個方程式中，狄拉克採用洛倫茲變換對薛定諤方程進行了相對論化處理，使其既能滿足量子力學，又能滿足相對論——上個世紀人類兩個最偉大的貢獻，可見其有多麼的重要！

狄拉克方程比薛定諤方程更精準，使那個波函式也能滿足相對論了，真是皆大歡喜。但“好景不長”，科學家不久就發現了這個方程中有bug——一個非常嚴重的反直覺問題！如果根據這個方程去求解，將發現電子會存在負能級。也就是說，這一方程不僅會解出電子的正能級，還會出現負能級！這在當時，是科學家是無法接受的！

起初，狄拉克以為負能級就是質子。但是，奧地利理論物理學家、量子力學研究先驅沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）、以及海森堡，通過計算髮現，這個負能級並非質子，而且其品質和電子完全一樣。

到了1931年，狄拉克也認同負能級不是質子，並給這個負能級起名“反電子”，因其品質和電子完全一樣，而它的電量雖然和電子電量相等，但卻是反號的正電荷。這就是狄拉克最早提出的反粒子，即反電子（它跟電子反號），而且電子和反電子可以合成變為真空和能量。也就是說，電子和反電子合起來的話可以放出能量，這個過程就叫做“負電子的湮滅”，湮滅了之後，電子和負電子一起消失，變成真空，能量卻釋放了出來。

這個電子運動的相對論性量子力學方程，預言了“反物質”的存在，為物理學世界開拓了一個“新大陸”！

於此同時，美國物理學卡爾·安德森（Carl Anderson）在雲室的軌跡中，發現了一種品質與電子相當，不過卻帶有正電荷的新粒子——正電子。這一發現在1932年公佈，恰好證明了狄拉克對於存在“反物質”的預言。正由於這一發現，安德森獲得了1936年的諾貝爾物理學獎！

到了1955年，猶太裔義大利-美國物理學家埃米利奧·塞格雷（Emilio Segrè），與歐文·張伯倫一起發現了反質子，而共同獲得1959年諾貝爾物理學獎（上文也提及了）；一年後，美國物理學家布魯斯·考克（Brian Cox）在勞倫斯伯克利國家實驗室又發現了反中子。

就這樣，反電子、反質子、反中子都被發現了，因為物質的基本結構是原子，那麼它們就能構成反物質了。

轉眼間到了1995年，由德國物理學家、於利希研究中心教授瓦爾特·厄萊爾特（Walter Oelert）領導的團隊，在歐洲核子研究中心得到了9個反氫原子！

千萬別小看這9個反氫原子，有了它們就能生產出反其它的原子，so on and so forth……便能構成一個反世界了。不過，生產反物質成本太高了，據科學家推算，當下生產一克反物質需要上萬億美元！ 不過，普遍相信，隨著時間的推移，這個代價會不斷下降的。

那麼反物質又有什麼用呢？

科學家認為，一旦我們能生成穩定的反物質，便完全可以控制物質，可以令物質變成能量，再讓能量轉化為物質。如果我們能控制反物質，進而就能控制時間了，說不定真可以讓時間倒流了。那麼我們就能無懼暗能量，更不必在乎我們的宇宙可能的大撕裂了！