在科学史上,将两个理论成功地结合,往往会收获意想不到的回报。
回到上个世纪初,狭义相对论和量子力学的出现,使物理学发生了天翻地覆的改变。狭义相对论颠覆了我们的时空观,而量子力学揭示了微观世界的诡异行为。
1928年,物理学家保罗·狄拉克写下了一个结合了狭义相对论和量子力学的方程,用来描述高速运动的电子的行为。这本就是一项极其了不起的成就,但更令人惊奇的是,这个方程还预言了一个更为奇异的世界。
狄拉克发现,这个方程实际上预言了一类全新粒子的存在——对于每一个粒子,都存在一个对应的反粒子。例如,对于电子而言,应该存在一个“反电子”,它们具有相同的质量,却有着相反的电荷。
1932年,物理学家卡尔·安德森在观察穿过云室的宇宙线时,看见了一个与电子质量相同、带有正电的物体留下的轨迹。他认为,这些轨迹实际上就是“正电子”(也就是电子的反粒子)所留下的。
左:狄拉克方程预言了反物质的存在;右:安德森在云室中拍摄到了正电子的轨迹,并于1932年9月9日,在《科学》杂志上发表了他的发现。
尽管距离第一个反粒子的发现已经过去了90年,但反物质仍然充满了许多未解的难题。在探索的过程中,我们也发现了许多与反物质相关的有趣而又令人困惑的事实。
每一个原子都包含了反物质
无论是我们的身体,还是周围的世界,都是由原子构成的。
我们都知道原子是由质子、中子和电子组成的。质子和中子统称为核子,它们是原子核的组成部分,占宇宙可见物质的99%以上。但与电子不同的是,核子并非基本粒子,它们是由夸克组成的。
夸克有六种类型,或者说六种“味”,其中最轻的上夸克和下夸克最有可能在核子中找到。在最简单的图景中,质子包含了三个“价夸克”——两个上夸克和一个下夸克,它们的电荷