我们看到的宏观物体形式多样、五光十色，它们都是由各种分子和原子组成的。各种不同元素的原子又都由质子、中子和电子组成。但是人类对基本粒子的探索并未停止，从理论推断到实验检验，人们发现了大量微观粒子。经过仔细分类研究，目前还没有发现具有内部结构的基本粒子共有62种。

17.1 物质的镜像：反物质

1927年，只有25岁的狄拉克意识到，质量极小的电子是极易加速到接近光速的，对这种高速电子的完整描述应该考虑将相对论方程和量子力学方程结合起来。于是他把狭义相对论引进薛定谔方程，创立了相对论性质的波动方程——狄拉克方程。

狄拉克。图片来自网络

我们都知道，最简单的二次方程x^2=A有两个解，一个是x=根号A，另一个是x=负根号A。同样，电子的相对论性方程中出现了能量的平方E2，这样求解电子能量E时就会得出两个解：一个正的，一个负的。

狄拉克并没有想当然地把负能量当作不合理的结果舍去，他承认了负能量的存在。要知道，负能量是一个很奇怪的东西。假如说一辆汽车具有负能量，那么踩刹车反而会让它加速，而踩油门却会让它慢下来！

当时的物理学家们都对负能量持怀疑态度，海森堡称这是“现代物理学中最悲哀的一章”。

面对质疑，狄拉克并没有放弃，经过仔细思考，他提出了一个大胆的假设。他指出：

“以往人们把真空想像成一无所有的空间。现在看来，我们必须用一种新的真空观念来取代旧观念。在这种新理论中，需要把真空描写为具有最低能量的一个空间区域，这就要求整个负能区都被电子占据着。”

按狄拉克的观点，真空中有无穷多个被电子填满的负能量位置，真空就像是由负能量电子组成的汪洋大海（后来人们称为“狄拉克之海”）。

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可是在我们的世界中所有这些位置都被电子填满了，负能量位置被均匀地填满对我们来说是完全察觉不到的，因此检测不到任何负能量。可是，如果一个负能量的电子被扰动，电子从负能级上被激发出来，留下的位置就变为一个“空穴”，这样，一个空穴会表现为负能量不足和负电荷不足。负能量不足就表现为正能量，负电荷的不足就表现为正电荷。

1931 年，狄拉克提出：

“一个空穴，如果存在的话，就是一种实验物理还不知道的新粒子，它与电子的质量相同而所带的电荷相反。我们可以称这样的粒子为正电子。”

正电子就是反电子，狄拉克这一观点宣告了反粒子观念的诞生。

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狄拉克不光提出反电子的概念，他还大胆地把反粒子的概念扩展到其他粒子。他指出：

“我认为负质子也可能存在，虽然该理论还没有那么明确，但在正负电荷之间应该有种彻底而完美的对称性。而且，如果这在自然界是一种真正基本的对称性，那么任何一种粒子的电荷应该都有可能反过来。”

狄拉克并没有等太久就等到了他的正电子。

当时已经发明了云室，在云室里人们可以记录下单个原子和粒子的轨迹。1932 年，美国物理学家卡尔·安德森使用云室从宇宙射线中发现了电子的反粒子——正电子。

原子剧烈碰撞而产生的电子−正电子对在云室中留下的轨迹，它们在磁场中的轨迹刚好相反。在粒子反应中如果有足够的能量使动量守恒并转化为质量，就能成对产生正反粒子对。