什么是反物質？有沒有負質量？

一提到反物質，很多人的第一反應是，它是質量為負的物質，與物質相遇即同歸于盡。

正反物質的湮滅

這個聽起來很“科幻”，但其實并不正確。

反物質并不是“負質量的東西”，它和普通物質在質量上完全一樣，只是在某些關鍵性質上恰好相反。

什么性質相反呢？我們從最熟悉的粒子說起。

電子帶負電，而它的反粒子——正電子——帶正電；質子帶正電，它的反粒子——反質子——帶負電。除了電荷相反之外，這些粒子的質量、自旋等基本性質卻完全相同。

電子、質子和中子及其反粒子

所以，反物質最核心的特點是：它是由反粒子組成的物質，與普通物質的質量相同，但電荷等內部對稱性決定的量子數的符號相反，除了電荷之外，還包括重子數、輕子數等。

按照現代量子場論，一切場粒子都有反粒子，包括夸克、輕子和傳遞相互作用的中間玻色子。特別的，凡是由夸克構成的物質粒子——即重子和介子，都存在與自身不同的反物質粒子，例如質子、中子和π介子等。注意，雖然中子不帶電，但反中子是另一個粒子，因為構成中子的三個夸克都存在與自身不同的反夸克。

氫原子和反氫原子

光子比較特殊，它的反粒子就是它自身。中微子更特殊，它的反粒子可能是自身，也可能不是，目前還在研究中。

那么，反物質是怎么被提出并發現的呢？

反物質并不是憑空設想出來的，它的起源可以追溯到20世紀初物理學的一次重大理論突破。

保羅·狄拉克（1902~1984）

1928年，英國物理學家狄拉克（Paul Dirac，1902~1984）試圖解決一個當時非常棘手的問題：如何把量子力學和相對論統一起來，正確描述電子的行為。經過一番推導，他得到了一個全新的方程——狄拉克方程。

這個方程有一個出人意料的結果：電子的能量不僅可以是正的，還可以是負的，即 這讓狄拉克陷入困惑。因為如果負能量狀態真的存在，電子就會不斷“掉”到更低的能量中去，最終能量趨向負無窮，整個世界將不穩定。但現實顯然不是這樣。

為了避免這種災難，狄拉克提出了一個極具想象力的解釋。他設想：

所有負能量狀態早已被電子“填滿”，形成一個看不見的“?！薄?/blockquote>

這個想法后來被稱為“狄拉克?！?/strong>。

狄拉克的“狄拉克海”想法

由于泡利不相容原理，電子不能占據同一狀態，正能量電子無法再掉進這些已經被填滿的負能態的海中，因此系統保持穩定。

更精彩的地方在于，如果這個“海”里某個位置缺少了一個電子，會發生什么？

狄拉克發現，這個“空缺”在物理上表現為一個帶正電、具有正能量的粒子。

換句話說：電子的“缺位”看起來就像一種全新的粒子。

狄拉克據此大膽預言：世界上應該存在一種與電子質量相同、但電荷相反的粒子，這就是狄拉克的反物質的猜想。

卡爾·安德森（1905~1991)

1932年，美國物理學家安德森（Carl Anderson，1905~1991）在宇宙射線實驗中觀測到這種粒子——正電子。它的軌跡在磁場中彎曲方向與電子相反，但曲率完全一致，說明它的質量和電子相同、電荷相反。

趙忠堯（1902~1998）

必須指出的是，1929年，中國著名物理學家趙忠堯最早發現了正電子存在的證據，所以他被稱為是最早發現反物質的科學家。

反物質的發現，是理論物理學歷史上的一個經典高光事件，因為它意味著，一個純粹從數學方程出發的理論預言，被實驗精確驗證。

那么問題是，既然正反物質粒子互為反物質，為什么它們的質量卻是一樣的？且都是正的呢？

關鍵在于，不同物理量的性質并不一樣。

像電荷、輕子數這類量，本質上決定粒子如何參與相互作用，它們可以在某種對稱變換下取反。

而質量則不同，它與粒子在時空中的運動有關，是一個更“基礎”的量。如果真的允許負質量存在，會帶來嚴重問題。

例如在經典力學中，力與加速度的關系是牛頓第二定律，即 若質量為負，物體的加速度方向將與受力方向相反，這會導致系統出現無法控制的自發加速（runaway motion）。

什么是自發加速呢？我們來舉例說明。

根據萬有引力定律，質點之間的引力如下為 其中 是指向施力物體的單位向量。

對正質量的物體之間，顯然力都是指向施力物體的，也就是吸引力。

但現在不一樣了，A是正質量（ ），B是負質量 ，假設A在左邊，B在右邊，如下圖所示。

質量等值反號的小球

根據萬有引力公式，A受到B的力是向左的，也就是排斥力；B也是一樣，它受到A的同樣大小的排斥力，向右。

對A物體來說，它的加速度為 顯然它的方向向左。

但對B物體來說，由于它的質量為負，它的加速度竟然與它受到的力相反，也就是說，它的加速度也是向左的。

于是，神奇的事情就產生了，兩者竟然都向左加速！而且由于加速度大小一樣，這使得它們一起向左加速，彼此間的距離不變。

自發運動示意圖

這就是所謂自發加速，它的特點是：沒有外力、沒有外界輸入能量、卻不斷加速！

這顯然違反了能量守恒和動量守恒定律，是不可能發生的！

因此，反物質之所以不是負質量，是因為質量并不是那種可以“取反”的量，而且負質量會破壞整個物理理論的穩定性。

在更深層的理論中，還要求系統的總能量必須有一個最低值。如果質量為負，就可能導致能量無限降低，系統不斷釋放能量而無法穩定，這與現實世界顯然不符。

現在，我們對反物質的理解已經比狄拉克時代更加清晰。

在現代量子場論中，不再需要“狄拉克?！边@樣的圖像，而是認為：

(1) 每一種基本粒子，都對應一種反粒子，它們質量相同，電荷等相互作用性質相反。

(2) 當粒子和反粒子相遇時，它們可以發生“湮滅”，釋放的是粒子靜質量對應的能量，通常以光子的形式。

未來的反物質武器

值得指出的是，有人可能認為正反物質湮滅中，電荷發生中和了，但實際上，正反物質的湮滅與電荷的中和完全不同。

電荷中和雖然也會放出能量，但它的規模小多了，因為它只是源于二者之間的電勢能；而正反物質的湮滅甚至比核彈的威力還要強太多了，因為它源于物質質量的徹底虧損！

假想未來某一天，有外星人在入侵人類的路上，若已知外星人是正物質，那么只要向它們發送一顆反物質球體，就能讓它們徹底消失。

參考文獻

https://januscosmologicalmodel.com/negativemass

來源：物含妙理

編輯：77

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