科普—相对论与反物质（转）

【如果粗俗说的话，反物质是相对论下的蛋~】不过，说起相对论，大家实在是太熟悉了，光速不变，钟慢尺缩，双生子佯谬，隧道跑火车，可谓科学界的唐诗三百首，令人“不会作诗也会吟”。除此之外，相对论的又一大贡献是发现了质能守恒定律：E=MC^2
有了它，人们才弄明白万物生长靠太阳，太阳发光靠mc平方；有了它，人们才懂得利用核能；也正是有了它，狄拉克在1928年才发现了自然界存在着反物质。

或许你会问，质能守恒定律为什么能预言反物质的存在呢？那就让我们先从一个简单的例子来理解一下它的意义~或许你还记得高一物理中的牛顿力学中的动能公式吧：Ek=1/2mυ^2
这里E_k是物体的动能，m是质量，v是速度。换一种更一般的写法就是:Ek=p^2/2m.
其中p=mv是物体的动量。1926年，奥地利籍物理学家薛定谔，将量子的波动性思想和后一个版本的能量表达式结合起来，发现了薛定谔方程——量子力学量力学，从此物理专业的大学生又多了一门考不过的课程

这样想想科学发现好像也不太难吗！你看这么简单的公式，往量子力学一应用，就是一套学问，这我也会：E=p^3/2m^2;E=p^4/2m^3;E=……
呵呵，不过，如果物理学真有这么简单，那么人人都能拿诺贝尔奖了。实际上，我们高中学过的那套公式是牛顿力学中唯一正确的动能表达式，其他说法中所谓的“能量”并不守恒。不守恒的能量有如“屠龙之术”，世界上又没有龙，屠不屠龙没什么意义。

在相对论力学中，动能，动量和（静）质量的关系有点儿复杂。E^2-|向量P|^2C^2=m^2c^4。
不知道大家看出来没有，和牛顿力学相比，这里的能量多了一个平方号，成了一个二次方程【其中c是光速】。如果你还记得初二数学，会想起二次方程有两个解。把上面的方程移项，开平方，得到关于能量的解应该是正负两个！能量怎么会有负的呢？恭喜你，已经接近反物质啦！【well done！】

和牛顿力学一样，上式的能量定义是狭义相对论中的唯一正确的守恒能量，大家不需要再去做别的尝试。我们常见的mc平方的表达式正是本式的简化版本。1927年到1928年间，英国物理学家狄拉克受到薛定谔方程的启发，也打算把这个能量公式应用到量子力学中去，看看能得到什么。这个想法实现起来极其困难，因为能量、动量在量子力学中是一堆微分算符，怎样让算符开根号呢？狄拉克天才地把微分算符开了根号——不服的话不妨试试看，保证泪流满面——得到了相对论性的量子力学方程（或场方程），就是狄拉克方程。在狄拉克之前一定有人想过这样试试，但是只动嘴皮子没有用。仅仅有想法不能算科学发现，只有找到人们从未发现的，支持自己想法的证据，或者说可以被验证的结论，例如方程，方程的解，对现象的预言等等，才能算作科学发现。

狄拉克方程是一个伟大的科学发现。正如相对论性的能量方程，狄拉克方程也有正负两个能量的解。那么，负能解会不会像“屠龙之术”一样，毫无意义呢？或许有人这么想过，但天才狄拉克有更加奇妙的想法。【其中还有奥本海默和外尔的贡献】
如果把真空看作是负能态被电子填满的海洋，此时若有一个占据能量态为负E的电子从海洋跳出来，那么海洋之中就少了一个带负电荷e的负能电子，多出来一个负能的空穴。如果反过来看，少了一个负的等于多了一个正的，就等效于真空海洋中多出来一个能量为E，带有正电荷e的反粒子。

于是，狄拉克方程做出了一个可以被验证的预言：自然界中存在电子的反物质，它的质量和电子相同，电荷和电子相反。1932年，美国物理学家安德森（Carl Anderson）在对宇宙射线的研究中发现了正电子的存在。因此，狄拉克和薛定谔分享了1933年的诺贝尔物理学奖，安德森和它的合作者分享了1936年的诺贝尔物理学奖。

【云室里看到的正电子“轨迹”】

随着量子场论的发展，人们不断的从实验中发现各种基本粒子对应的反物质——每一种都是某种已知基本粒子的“镜像”，除了质量相同外，其他量子性质完全相反（有些粒子的反粒子就是它自身）——无一不是由相对论性的量子场论方程所预言的。“电子海”的物理解释由于其局限性渐渐不常被人们使用，“负能量”的疑惑可以被更加完备的量子场论所自洽的解释，我们暂时不表。
可见，追根溯源，反物质就是相对论下的一个蛋。没有相对论，就没有相对论性的狄拉克方程，也就没有对反物质的预言。且不说相对论所预言的其他现象已被验证，量子场论预言的基本粒子包括对应的反粒子也被一个接着一个的找到。最值得一提的是，场论标准模型中的不同方法对精细结构常数的实验测量的差异小于一亿分之一，这意味着相对论下了一个极为成功的蛋。现在还有些人号称用一百零一种方法推导出相对论是错的。我看就算用一亿种方法也白搭，公羊会不会下蛋，母鸡能不能产奶，要用实验说了算。实验才是检验理论的唯一标准。搞物理不能只动嘴皮子忽悠，还要动脑做计算；不但要动脑做计算，还要动手做实验。除此之外，唱的再好听，画的再好看，都是扯淡。

相对论没有反物质是不行的！
相对论辛辛苦苦下了一个蛋，那么这个蛋能孵出来相对论吗？答案是能！

在相对论性的量子力学，或者更完备的量子场论当中，有一件事必须搞清楚，那就是这个理论中有没有超光速的现象？我们知道量子力学当中有很多神奇的现象，比如上帝掷骰子，量子纠缠，隧穿效应等等，保不准又弄出来超光速的话，相对论不是就完蛋了吗？物理学家一计算，发现这回事还真没那么简单。
在量子场论中，粒子并没有固定的轨道，它只能从一个位置“跃迁”到另一个位置。按照相对论，太阳光到达地球需要八分钟。如果太阳那里产生一个粒子，在八分钟内，它“跃迁”到地球的概率应该为0，或者说它对地球的任何影响都是0。如果不考虑反物质，物理学家计算的结果是，这样的影响虽然非常小，但不是0，这样就违反了相对论。但考虑到量子场中既有物质又有反物质，而且物质粒子和反物质粒子的种类是一一对应的话，那么二者造成的“超光速”影响正好完全抵消，最后的结果就会支持相对论。所以，相对论下的蛋，最后又孵出了相对论。完全自洽。
那么可能有人要问，量子场论为什么一定要支持相对论呢？各说各话，各找各妈不行吗？除了量子场论来自相对论这个自洽性问题外，这里还涉及到物理学的基本定律和演生【emergent】现象的关系。打个比方，《黑客帝国》中的Neo可以在Matrix构建的世界中腾云驾雾，从Matrix出来以后就不行了。这是因为，Matrix的世界是建立在计算机0和1的逻辑运算基础上的，演生出来的世界可以由0和1组成的程序构造，但计算机和Neo本身要受到物理学基本定律的限制。同样的道理，我们的宏观世界是由基本粒子构成的，许多宏观现象，例如颜色，软硬，强度，思想，情绪，生死都是由基本粒子的相互作用演生出来的【这里的演生和Matrix的虚拟世界不一样】，并不一定是物理学的基本定律。相比经典物理学，描述微观世界的量子物理的规律更加基本。人们发现了反物质，并可以构造自洽的相对论性量子场论，说明至少在目前的阶段，相对论不仅仅可以描述演生的宏观世界，还可以描述基本的量子世界。相对论是一个自洽的物理学基本理论。

回到开头的问题，如果物质可以反，那么会不会也有反能量，反空间，反时间，反宇宙呢？根据奥卡姆剃刀原则，答案是没有，因为相对论性的方程没有出现这样的解。有人要反对了，暗物质，暗能量也不是相对论性的方程的解，宇宙学观测不也支持它们的存在吗？的确如此，目前的物理学理论没有办法解释暗物质和暗能量的存在。因此，为了解释观察到的现象，人们必须修改现有的物理学理论，其中可能包括相对论。然而修改归修改，在一定条件下，必须退回到相对论来——正如在一定近似条件下，狄拉克方程可以退回到薛定谔方程，狭义相对论可以退回到经典力学中，广义相对论也可以退回到牛顿引力。例如在谈到黑洞蒸发的信息丢失问题时，弦论学家泡钦斯基说过【见《黑洞出来混，迟早要还的》】：“因此，量子引力是全息的，它的自由度是非局域的，而（经典引力的）时空局域性是演生出的。”其中的时空局域性可以狭义的理解为信号不能超光速，可见他说的正是这个意思。
总而言之，公羊不能下蛋，母鸡不会产奶，相对论不可推翻，科学不是扯淡。科学发现需要创新思维，打破传统观念，这确实是我们做的不够的一个方面。但并不是任何打破传统的行为都是创新。作为成年人，我们都必须先调查清楚整个事情的来龙去脉，哪些是假说，哪些是事实，而不是口若悬河凭空杜撰，指鹿为马坐井观天。如果回过头去看看每一次科学进步，具体到其中的每个当事人身上，我们会发现，除了创新之外，更多的还有传承。

完结撒花