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反物质是什么(反物质是什么梗)

1928年的一天,著名物理学家狄拉克坐在自己的椅子上,翘着二郎腿,长舒了一口气。

1928年的一天,著名物理学家狄拉克坐在自己的椅子上,翘着二郎腿,长舒了一口气。他刚刚完成了一项伟大的工作,把量子力学领域的薛定谔方程和宇宙量级上的相对论进行了结合,提出了属于他的狄拉克方程。

反物质是什么(反物质是什么梗) - 第1张

薛定谔方程,是用来描述微观粒子运动的。可是,这个方程也有一个问题,他在计算粒子速度的时候,使用的是正常世界的公式。而在微观世界,粒子都是以接近光速的速度运动着,用宏观世界的公式就显得不合适了,而是要考虑到相对论的效应才可以。

那么,相对论是什么效应呢?


相对论告诉我们:物体的移动是不能超过光速的。举个例子:在赤道上,地球的自转线速度是1670km/h,如果你在赤道上向正东方向以30公里的时速前进,按照宏观世界物体的速度变换公式(伽利略变换),那就是1700km/h。这是没问题的。但如果你在一个0.8倍光速的车上以0.3倍光速向前走,然后还是按照这个方式计算,岂不是1.1倍光速了?

实际上,在接近光速的级别时,我们需要运用另一种速度叠加公式(洛伦兹变换)来计算,那就是:

反物质是什么(反物质是什么梗) - 第2张

如果你愿意试一下的话,就会发现,当两个叠加的速度都很小时,分母几乎等于1,这个公式和伽利略变换就没什么区别;而当它们接近光速乃至等于光速的时候,计算结果也永远无法超过光速。


于是,狄拉克就把这个变换公式运用到薛定谔方程(当然,其实这里还有其他很复杂的计算和理论,咱们简单地理解一下就够了),从而推导出这个让他满意、让其他人都惊叹不已的狄拉克方程(方程很复杂,我们就不引用了)。

就在狄拉克沾沾自喜的时候,其他科学家提出了疑问:不对啊,你这个方程,搞出了负能级的电子,这是咋回事?

反物质是什么(反物质是什么梗) - 第3张

好吧,咱们又得跳戏了,讲一讲什么叫负能级。

这个就容易解释一些了,就是说一个原子在正常状态下,电子安稳地围绕原子核旋转,这个状态叫做基态。可是,如果有外界给这个原子施加能量,电子吸收了能量,就跟打了鸡血一样,开始“上蹿下跳”。借用网上的一个比喻,基态下的电子,就相当于一辆车的空档,被激发的电子则像挂了1挡、2挡、乃至5挡一样,嗖嗖跑。

而狄拉克方程告诉我们,电子还有负能级,相当于一辆车还有负挡。当然,这个“负挡”和倒挡还不太一样,而是说电子已经违背常理了。

反物质是什么(反物质是什么梗) - 第4张

狄拉克把翘着的二郎腿放下来,陷入了深深的思考之中。他提出了一个想法,说负能级的确有,但是已经被电子填满(泡利不相容原理,反正这个理论是错的,不用深入了解),所以我们观察不到。这些负能级电子就像淹没在海洋里了一样,故而提出了迪拉克之海的概念。

这个概念本来就很牵强,就像爱因斯坦提出的宇宙常数一样。很快,海森堡、泡利等人就提出了质疑。最终,狄拉克承认,这个方程相当于一个预言:这些负能级的电子,实际上是带一个正电荷的电子(普通电子带一个负电荷),质量和电子相同,因此这种电子被命名为反电子。

狄拉克的预言很快就被证实,美国物理学家安德森在用云室研究宇宙粒子的时候,就发现了在云室的磁场中和电子偏转方向完全相反,但是角度完全相同的粒子。学过高中物理的朋友可以看出来:偏转方向相反说明电荷相反,角度相同说明质量相同。显然,这个就是反电子。

就这样,人类第一次发现了反物质。

反物质是什么(反物质是什么梗) - 第5张

接下来,1955年,美国劳伦斯辐射实验室发现了反质子;1965年,美籍华裔物理学家丁肇中发现了反氘核;1995年,欧洲核子研究中心的科学家甚至合成了反氢原子。

那么,科学家为何如此执着于反物质呢?它究竟有何用处呢?我们下一期再介绍。

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