為什麼反物質遇到普通物質就會湮滅？它的原理是什麼？
2020-05-04 魅力科學君人類的夢想是星辰大海，要實現這個夢想，我們就需要強大的能源。就目前來看，離我們最近的強大能源就是核聚變了，需要說明的是，這種能源並不完美，即使以後人類掌握了可控核聚變的技術，也只能將核燃料的大約0.7%的質量轉換成能量。
那還有沒有更強大的能源呢？答案是肯定的，科學家早已發現，宇宙中存在著一種特殊的物質——反物質，這種物質能夠與普通物質發生湮滅，並且將自身的質量全部轉化為能量。
我們可以看到，反物質這種能源的效率是核聚變的大約143倍，而由於它的質能轉換率已經到達極限100%），因此可以說，反物質才是宇宙中的完美能源，而核聚變在它面前就是渣渣。假如人類未來的宇宙飛船能夠使用反物質能源，那進行跨越星際的飛行將不再是夢想。
相信大家一定會好奇，為什麼反物質遇到普通物質就會湮滅，原理是什麼呢？我們不妨先來了解一下它是怎麼被發現的。
從古到今，人們一直在苦苦探索我們的世界到底是由什麼組成的，起初人們認為這種東西是原子，然後人們又發現了原子並非物質的最小單位，再然後人們發明了粒子對撞機，從此擁有了撬開原子核的實力，經過多年的研究，科學家發現了大量的微觀粒子，在對其進行分類之後，於是我們就有了粒子物理學的標準模型。
科學家認為，我們的世界就是由許許多多的這樣的基本粒子所構成，為了研究這些微觀粒子的規律，量子力學應運而生。在量子力學中，有一個基本的方程式——薛丁格方程，利用這個方程式，人們就可以計算出微觀系統的具體性質，然而這個方程式並不完美，因為它並沒有考慮相對論。
想像一下，對於真空中的兩束方向相反的光線而言，它們的相對速度會是多少？根據常識來說，我們會理所當然地認為，它們的相對速度是兩倍光速。但事實並不是這樣，早在1887年，著名的麥可遜-莫雷實驗就證實了一個奇怪的現象，那就是對於一個觀察者來說，無論他處於哪種參考系，他觀察到的真空中的光速都是不變的。
也就是說，這兩束方向相反的光線的相對速度依然是光速，這個現象雖然很反直覺，但卻是真實存在的。對此，愛因斯坦在相對論中指出，物體的相對運動速度並不是簡單地疊加，而應該通過公式 V = （v1 + v2）/（1 + v1v2/c^2）來計算（註：v1、v2分別代表兩個物體的速度，c代表光速）。
我們可以看到，利用該公式計算出的結果與實際情況相符，我們還可以看到，在低速的情況下，將物體的運動速度進行簡單地疊加所得出的結果，也不會出現太大的偏差，但在高速的情況下，就必須要考慮相對論了。
需要指出的是，在微觀世界中，各種基本粒子的速度是相當快的，比如說電子在原子內部空間運動的時候，其速度常常可達到每秒數千公裡，而如果電子得到了足夠的能量，它的速度甚至可以達到光速的99%以上，因此可以說，要計算出微觀系統的運動規律，就必須得將相對論也考慮進去。
1928年，物理學家狄拉克在薛丁格方程的基礎上引入了相對論，提出了著名的狄拉克方程，完美地解決了這個問題。但新的問題很快就出現了，因為人們在解狄拉克方程的時候，發現電子居然可以存在負能級。
先簡單解釋一下，按當時的理論來講，電子可以有多個能級，總的來說，當電子得到足夠的能量的時候，它們就會向高能級躍遷，而在平常的時候，它們總是具有從高能級躍遷到低能級的趨勢，通過大量的實驗和研究，科學家發現電子有一個最低能級（基態），當電子躍遷最低能級的時候，就不可能繼續向更低的能級躍遷了。
然而狄拉克方程卻明確表示了電子可以存在負能級，這就與相關理論以及實驗結果產生了巨大的矛盾，怎麼辦呢？於是狄拉克提出了「狄拉克之海」的觀點，他認為負能級是存在的，只是因為真空中布滿了不可見的處於負能級的電子，所以人們觀察不到有電子躍遷到負能級（泡利不相容原理）。
那麼問題就來了，在「狄拉克之海」裡處於負能級的電子得到足夠的能量的時候，它們就會向高能級躍遷，那麼當它們離開「狄拉克之海」以後，留下的「空位」又是什麼呢？因為根據電荷守恆定律，這個「空位」應該是帶正電的（因為電子帶負電），所以狄拉克最初的說法是，這個「空位」是一個質子。
但這種說法根本就講不通，因為根據質能守恆定律，不管怎麼說，這個「空位」都應該是一個與電子質量相同，並且電荷相反的粒子，它根本就不可能是質子。對此狄拉克傷透了腦筋，我的方程式明明是正確的，為什麼會得出如此奇怪的結果呢？
最後他實在是無法根據已有的理論來作出合理的解釋，乾脆就大膽地預言，這個「空位」其實是一種我們還沒見過的「反粒子」，我們不妨將它稱為「正電子」，這種「正電子」與電子質量相同，但電荷相反。
狄拉克所預言的正電子其實就是反物質粒子，這可以完美地解釋狄拉克方程所處的困境。根據他的構想，在真空中注入能量，就可以得到一個電子和一個反電子，即：「真空 + 能量 = 電子 + 反電子」，需要注意的是，這個過程是可逆的，也就是「電子 + 反電子 = 真空 + 能量」，這就是「反物質遇到普通物質就會湮滅」這種說法最初的原理。
狄拉克的預言很快就得到了證實，1932年，物理學家安德森利用「雲室」首次在宇宙射線中發現了正電子的存在。但由於「狄拉克之海」存在著很多缺陷，因此在該模型提出之後，包括狄拉克在內的科學家們一直試圖從理論上對其進行完善，並在此基礎上發展出了量子場論。
簡單地講就是，量子場論認為所有的粒子都有與其相對應的反粒子，之所以會有反物質，是因為能量可以在真空中「憑空」生成正反粒子對，比如說當γ光子的能量大於電子靜能兩倍的時候，就可以在特定的條件下生成一個電子和一個正電子，而當這它們相遇時，又會發生湮滅並產生2個或3個光子。
時至今日，反中子、反質子等反粒子早已得到證實，科學家甚至還製造出了真正意義上的反物質——反氫原子，但由於反物質的製造成本極高、產量極低並且無法長時間地保存，因此雖然我們知道反物質是宇宙中的完美能源，核聚變在它面前就是渣渣，但是在未來的很長一段時間裡，人類都無法利用到這種完美的能源。
好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見`
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