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歷史

  反物質(zhì)

1927年12月，英國物理學家保羅·狄拉克提出了電子的相對論方程，即狄拉克方程。有趣的是，等式中發(fā)現(xiàn)除了一般正能量之外的負能量結(jié)果。這顯示出一個問題，當電子趨向于朝著最低可能的能階躍遷時；負無限大的能量是毫無意義的。但為了要彌補這條件，狄拉克提出真空狀態(tài)中是充滿了負能量電子的“?！?，稱作狄拉克之海。任何真實的電子因此會填補這些海中具有正能量的部分。

衍伸這個想法，狄拉克發(fā)現(xiàn)海中的這些“洞”則具有正電荷。起初他認為這是質(zhì)子，但赫爾曼·外爾指出這些洞應該是具有和電子相同的質(zhì)量。1932年由美國物理學家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在。在此期間，反物質(zhì)有時也常被稱作“反地物質(zhì)”。雖然狄拉克自己沒有使用反物質(zhì)這個術(shù)語，但是后來的科學家將反質(zhì)子等粒子稱呼為反物質(zhì)。完整的反物質(zhì)元素周期表由查爾斯·珍妮特（Charles Janet）于1929年完成。

性質(zhì)

反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。

反物質(zhì)和物質(zhì)一旦相遇，就相互吸引、碰撞而100%轉(zhuǎn)化為光并釋放出的巨大的能量，這個過程叫做湮滅。湮滅過程會釋放出正、反物質(zhì)中蘊涵的所有靜質(zhì)量能，根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式──E=mc2，一種在科學界受到普遍認同的理論認為，宇宙大爆炸早期曾產(chǎn)生了數(shù)量相當?shù)奈镔|(zhì)和反物質(zhì)，隨后發(fā)生的物質(zhì)和反物質(zhì)的湮滅消耗掉了絕大部分的正、反物質(zhì)，遺留下的少部分正物質(zhì)構(gòu)成了現(xiàn)如今的物質(zhì)世界。理論上宇宙大爆炸時所產(chǎn)生的粒子與反粒子應該數(shù)量相同，但是為什么現(xiàn)今所遺留下來的絕大多數(shù)都是正粒子，這即所謂的“正反物質(zhì)對稱性破壞”（對稱破缺），雖然在幾個粒子對撞試驗中，都發(fā)現(xiàn)了正粒子與反粒子的衰變略有不同，即所謂的電荷宇稱不守恒（CP破壞），但在數(shù)量上仍不足以解釋為何現(xiàn)今反物質(zhì)消失的問題，這在粒子物理學上仍是一大未解決的問題。

盡管在人們已經(jīng)在實驗室中制造出了為數(shù)眾多的反原子，然而目前在自然界中尚沒有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。一種觀點認為即使自然界中存在反物質(zhì)，它也很快會和正物質(zhì)發(fā)生湮滅。

時光倒流

費曼曾經(jīng)研究狄拉克方程而發(fā)現(xiàn)，假如將時間方向逆轉(zhuǎn)同時將電子電荷顛倒，則方程依然成立。即是說，一粒時光順流的電子，其實等同一粒時光倒流的反電子。因此所謂的反物質(zhì)，其實就是倒著時間方向的正物質(zhì)，是為CPT對稱。

縱使如此，反物質(zhì)的運動，并不違反因果律。當電磁波的超前波和延遲波相加時，違反因果律的項次會互相抵消。如果沒有了反物質(zhì)，因果律反而會瓦解。

費曼和他的老師惠勒進一步假設(shè)，整個宇宙其實也許只是相同一粒電子在時間軸中從大爆炸到宇宙末日之間來來回回地走動，這也是為何所有電子彼此之間毫無分別。

應用

  想像中用反物質(zhì)當燃料的反物質(zhì)火箭（英語：antimatter rocket）

因為物質(zhì)與反物質(zhì)的湮滅時質(zhì)量可完全轉(zhuǎn)換成能量，帶來最大的能源效率，且單位產(chǎn)量是核能的千百倍或常規(guī)燃料的億兆倍，所以一直有人研究其作為新能源的可行性，主要用于很難補給燃料的航天用，甚至作為反物質(zhì)武器。但是由于目前人為制造反物質(zhì)的方式，是由加速粒子打擊固定靶產(chǎn)生反粒子，再減速合成的。此過程所需要的能量遠大于湮滅作用所放出的能量，且生成反物質(zhì)的速率極低，因此尚不具有經(jīng)濟價值。此外，反物質(zhì)與物質(zhì)相遇會發(fā)生湮滅，保存上也是一大問題。

延伸閱讀

G. Fraser. Antimatter, The Ultimate Mirror. Cambridge University Press. 2000. ISBN 978-0-521-65252-0. 

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