反物質是相對論下的蛋-揭開反物質的面紗

在許多人心目中，科學發現是一個不斷創新，不斷打破傳統觀念的過程。只有推翻一個舊理論，我們才能創建一個新理論。比如世界上的反動學術權威普遍認為，公羊不能下蛋，母雞無法產奶；我們就不信邪，大膽的提出公羊也能下蛋，母雞亦可產奶的偉大假說，徹底推翻了束縛了人們上萬年的舊理論，為科學的飛躍式發展指明了方向。

以上的發現不是科學，是幻覺。

那麼，真實的科學發現，尤其是那些匪夷所思的科學發現又是怎樣產生的呢？比如說反物質神馬的，最神奇了，和物質碰在一起就會湮滅，變成高能輻射。這難道不是科學家推翻了傳統的物質理論之後發現的嗎？如果物質可以反，那麼會不會也有反能量，反空間，反時間，反宇宙呢？這事要想說清楚，還得從相對論開始。

不過，說起相對論，大家實在是太熟悉了，光速不變，鐘慢尺縮，雙生子佯謬，隧道跑火車，可謂科學界的唐詩三百首，令人「不會作詩也會吟」。除此之外，相對論的又一大貢獻是發現了質能守恆定律：E=MC^2

有了它，人們才弄明白萬物生長靠太陽，太陽發光靠mc平方；有了它，人們才懂得利用核能；也正是有了它，狄拉克在1928年才發現了自然界存在著反物質。

1927年到1928年間，英國物理學家狄拉克受到薛定諤方程的啟發，也打算把這個能量公式應用到量子力學中去，看看能得到什麼。這個想法實現起來極其困難，因為能量、動量在量子力學中是一堆微分算符，怎樣讓算符開根號呢？狄拉克天才地把微分算符開了根號，得到了相對論性的量子力學方程（或場方程），就是狄拉克方程。在狄拉克之前一定有人想過這樣試試，但是只動嘴皮子沒有用。僅僅有想法不能算科學發現，只有找到人們從未發現的，支持自己想法的證據，或者說可以被驗證的結論，例如方程，方程的解，對現象的預言等等，才能算作科學發現。

狄拉克方程是一個偉大的科學發現。正如相對論性的能量方程，狄拉克方程也有正負兩個能量的解。那麼，負能解會不會像「屠龍之術」一樣，毫無意義呢？或許有人這麼想過，但天才狄拉克有更加奇妙的想法。【其中還有奧本海默和外爾的貢獻】

如果把真空看作是負能態被電子填滿的海洋，此時若有一個佔據能量態為負E的電子從海洋跳出來，那麼海洋之中就少了一個帶負電荷e的負能電子，多出來一個負能的空穴。如果反過來看，少了一個負的等於多了一個正的，就等效於真空海洋中多出來一個能量為E，帶有正電荷e的反粒子。

於是，狄拉克方程做出了一個可以被驗證的預言：自然界中存在電子的反物質，它的質量和電子相同，電荷和電子相反。1932年，美國物理學家安德森（Carl Anderson）在對宇宙射線的研究中發現了正電子的存在。因此，狄拉克和薛定諤分享了1933年的諾貝爾物理學獎，安德森和它的合作者分享了1936年的諾貝爾物理學獎。

雲室里看到的正電子「軌跡」

隨著量子場論的發展，人們不斷的從實驗中發現各種基本粒子對應的反物質——每一種都是某種已知基本粒子的「鏡像」，除了質量相同外，其他量子性質完全相反（有些粒子的反粒子就是它自身）——無一不是由相對論性的量子場論方程所預言的。「電子海」的物理解釋由於其局限性漸漸不常被人們使用，「負能量」的疑惑可以被更加完備的量子場論所自洽的解釋，我們暫時不表。

可見，追根溯源，反物質就是相對論下的一個蛋。沒有相對論，就沒有相對論性的狄拉克方程，也就沒有對反物質的預言。且不說相對論所預言的其他現象已被驗證，量子場論預言的基本粒子包括對應的反粒子也被一個接著一個的找到。最值得一提的是，場論標準模型中的不同方法對精細結構常數的實驗測量的差異小於一億分之一，這意味著相對論下了一個極為成功的蛋。現在還有些人號稱用一百零一種方法推導出相對論是錯的。我看就算用一億種方法也白搭，公羊會不會下蛋，母雞能不能產奶，要用實驗說了算。實驗才是檢驗理論的唯一標準。搞物理不能只動嘴皮子忽悠，還要動腦做計算；不但要動腦做計算，還要動手做實驗。除此之外，唱的再好聽，畫的再好看，都是扯淡。

相對論沒有反物質是不行的！

相對論辛辛苦苦下了一個蛋，那麼這個蛋能孵出來相對論嗎？答案是能！

在相對論性的量子力學，或者更完備的量子場論當中，有一件事必須搞清楚，那就是這個理論中有沒有超光速的現象？我們知道量子力學當中有很多神奇的現象，比如上帝擲骰子，量子糾纏，隧穿效應等等，保不準又弄出來超光速的話，相對論不是就完蛋了嗎？物理學家一計算，發現這回事還真沒那麼簡單。

在量子場論中，粒子並沒有固定的軌道，它只能從一個位置「躍遷」到另一個位置。按照相對論，太陽光到達地球需要八分鐘。如果太陽那裡產生一個粒子，在八分鐘內，它「躍遷」到地球的概率應該為0，或者說它對地球的任何影響都是0。如果不考慮反物質，物理學家計算的結果是，這樣的影響雖然非常小，但不是0，這樣就違反了相對論。但考慮到量子場中既有物質又有反物質，而且物質粒子和反物質粒子的種類是一一對應的話，那麼二者造成的「超光速」影響正好完全抵消，最後的結果就會支持相對論。所以，相對論下的蛋，最後又孵出了相對論。完全自洽。

那麼可能有人要問，量子場論為什麼一定要支持相對論呢？各說各話，各找各媽不行嗎？除了量子場論來自相對論這個自洽性問題外，這裡還涉及到物理學的基本定律和演生【emergent】現象的關係。打個比方，《黑客帝國》中的Neo可以在Matrix構建的世界中騰雲駕霧，從Matrix出來以後就不行了。這是因為，Matrix的世界是建立在計算機0和1的邏輯運算基礎上的，演生出來的世界可以由0和1組成的程序構造，但計算機和Neo本身要受到物理學基本定律的限制。

同樣的道理，我們的宏觀世界是由基本粒子構成的，許多宏觀現象，例如顏色，軟硬，強度，思想，情緒，生死都是由基本粒子的相互作用演生出來的【這裡的演生和Matrix的虛擬世界不一樣】，並不一定是物理學的基本定律。相比經典物理學，描述微觀世界的量子物理的規律更加基本。人們發現了反物質，並可以構造自洽的相對論性量子場論，說明至少在目前的階段，相對論不僅僅可以描述演生的宏觀世界，還可以描述基本的量子世界。相對論是一個自洽的物理學基本理論。

回到開頭的問題，如果物質可以反，那麼會不會也有反能量，反空間，反時間，反宇宙呢？根據奧卡姆剃刀原則，答案是沒有，因為相對論性的方程沒有出現這樣的解。有人要反對了，暗物質，暗能量也不是相對論性的方程的解，宇宙學觀測不也支持它們的存在嗎？的確如此，目前的物理學理論沒有辦法解釋暗物質和暗能量的存在。因此，為了解釋觀察到的現象，人們必須修改現有的物理學理論，其中可能包括相對論。

然而修改歸修改，在一定條件下，必須退回到相對論來——正如在一定近似條件下，狄拉克方程可以退回到薛定諤方程，狹義相對論可以退回到經典力學中，廣義相對論也可以退回到牛頓引力。例如在談到黑洞蒸發的信息丟失問題時，弦論學家泡欽斯基說過【見《黑洞出來混，遲早要還的》】：「因此，量子引力是全息的，它的自由度是非局域的，而（經典引力的）時空局域性是演生出的。」其中的時空局域性可以狹義的理解為信號不能超光速，可見他說的正是這個意思。

總而言之，公羊不能下蛋，母雞不會產奶，相對論不可推翻，科學不是扯淡。科學發現需要創新思維，打破傳統觀念，這確實是我們做的不夠的一個方面。但並不是任何打破傳統的行為都是創新。作為成年人，我們都必須先調查清楚整個事情的來龍去脈，哪些是假說，哪些是事實，而不是口若懸河憑空杜撰，指鹿為馬坐井觀天。如果回過頭去看看每一次科學進步，具體到其中的每個當事人身上，我們會發現，除了創新之外，更多的還有傳承。

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