世界的奇妙遠超人類的想象，造物主創造世界的手段如此之高明，也遠不是我們人類所能理解的。
有時候，我們覺得自己好像觸控到真理了，但最後發現大自然總會給我們帶來一些意想不到驚喜，那每一次驚人的發現，都讓我們不得不佩服造物主高超的技藝。
但是我們人類的探索能力、創造能力也是驚人的，有時候某些東西被造物主偷偷地藏在了黑暗的角落，但最後還是被我們人類發現了。
這就是我們今天的主題，我們找到了一個被造物主藏起來的東西，它就是反物質。我們先說反物質是啥？
這個很好理解，反物質是正物質的反面版本，正物質就是我們身邊能夠看到的所有的東西，包括你在內，你家的寵物，你的老婆都是正物質，因為我們都是由質子、中子和電子構成的。
而反物質則是由反質子、反中子和反電子構成，所以問題是，這些反粒子和正粒子之間有啥區別？
就拿電子和反電子來說，由於我們誰也沒有見過電子和反電子，所以區分它們不能透過長相，而是要透過它們所攜帶的一些屬性。
比如說電子帶負電，反電子卻帶正電，電子的輕子數為1，反電子的輕子數為-1，之所以說他倆互為各自的反版本，是因為他倆也有相同的地方，比如質量相同、自旋大小相同都是1/2 。
這裡我再說下什麼是輕子數，輕子是對電子按照質量的一種分類，所以電子就是輕子家族中的一員，由於我們發現，在實驗室的任何反應中輕子的數量不會增加，也不會減少，所以我們就認為輕子數是一個守恆量，說白了就是你在創造一個電子的同時，必須創造出一個與之對應的反電子，電子的輕子數是1，反電子的輕子數的-1，結構就是輕子數不增不減，理解了吧。
那你想要毀滅一個電子的同時，必須也要毀滅一個反電子，這樣就能保證在反應的前後輕子數守恆了。
那麼以上的規律就意味著，我們的宇宙中不會有淨剩輕子數，說白了就是不會有電子，那麼沒有電子也就有沒有了物質，沒有了我們現在能看到的一切，包括宇宙中的各種星球。
其實也不會有質子和中子，因為質子和中子叫重子，從名字就可以看出因為這些東西比輕子重，所以叫重子，我們發現，重子數也是守恆，它在實驗室的反應中總是不增不減。
因此依照現今的物理學，輕子數和重子數的守恆意味著宇宙中不應該有物質，而是什麼都沒有，因為宇宙一開始正反物質的數量是對稱的，而且它們的輕子數和重子數相反，正反物質湮滅以後，宇宙的輕子數和重子數就是0，不會留下任何東西。
但事實很明顯，宇宙中留下了大量的物質，而反物質卻消失了，這是為什麼呢？這個疑問是當今宇宙學和粒子物理中最大的一個謎題。但這不是我們今天的主題，所以就不詳細地說了。
那我說以上的內容，就是想讓你知道兩個關鍵點，輕子數和重子數這兩個守恆量，在後面的文章中會大量提到這些名詞，還有我們昨天說的同位旋，都是一些基本概念。
其實的話，等你看完整個粒子物理的內容以後，你就發現，粒子物理大部分的內容都是基於守恆量和對稱性來建立的，所以一些守恆的量子數還是比較重要的。
好，我們接著說反物質，那你現在可能會想，既然宇宙中沒有反物質了，那我們是從哪裡找到反物質的？以上做了大量的鋪墊以後，我們就可以說今天的內容了。
當年，大約是1925年的時候，薛定諤寫出描述電子波函式的波動方程，由它當時並不知道電子自旋的概念，所以它的方程是非相對論性的。
也就是它的方程不是在狹義相對論的基礎上建立的，而這個工作最後是在1927年的時候由狄拉克完成的，透過狄拉克的相對論性的波動方程，就可以完美地解釋氫原子的光譜問題，而且還能推匯出電子的自旋值為1/2，那在這之前電子的自旋完全就是一種猜測，沒有任何根據。
但是描述電子的自旋只需要兩個分量，但是狄拉克的方程卻匯出了四個，而且還出現了負能解，負能解描述的是負能量電子的運動。
負能量這是什麼鬼？完全沒見過，最好的解決辦法就是忽略這個沒有物理意義的解，但狄拉克不一樣，它的物理直覺告訴自己，這個解可能還真有物理意義。
其實出現負能量的問題，並不是狄拉克首先遇見的，在愛因斯坦描述物質攜帶能量的公式中，能量那一項有個平方，這也意味著能量可能具有正負。那正能量最低值就可以是MC²，負能量最大的值就是-mc²，正能量世界和負能量世界中間有一個寬度為2MC²的間隙。
由於愛因斯坦的這個方程完全就是描述經典世界的方程。經典世界中的宏觀物質它是連續運動的，不可能透過連續運動越過中間這麼寬的能隙，所以當時人們就忽略了這個負能量的解。
但是量子世界不同，它是間斷性的，隨著波函式的擴散，粒子喜歡神秘的躍遷，越過能隙也是有可能的，所以狄拉克就算了一下，這原子中的電子是有一定的機率會在10^-8秒躍遷到負能級的。
如果真發生這樣的事，那後果非常嚴重，氫原子的電子就會一瞬間消失掉，跑到負能量的狀態上，整個物質世界都會崩潰掉的。
所以狄拉克覺得不能迴避這個負能級了，因此它就要解釋為什麼電子沒有跑到負能級上？為了解決這個困難，狄拉克就想到泡利的不相容原理。
這個原理說的是，兩個全同的費米子，不能待在同一空間。由於電子的是費米子，因為它的自旋是1/2，所以在原子的空間中不存在兩個量子態相同的電子。
這就可以解釋為什麼電子沒有躍遷到負能級了，因為負能級的軌道都已經被具有負能量的電子填滿了，所以正能量的電子躍遷不下去了。
這樣的解釋就意味著，如果我們給這個負能量電子提供以能量，它們就會被激發到正能態，這是由於一個電子跑了，那在真空中就會出現一個空穴，這個空穴就相當於一個正能粒子，但是它的電荷和電子相反，質量和自旋以及所有的性質都和電子一樣，它就是正電子。
這就是狄拉克對正電子，或者是反物質的預言。大約就在同一時間，我國核物理方面的鼻祖趙忠堯，他在加州理工大學跟過密里根，在卡文迪許實驗室跟盧瑟福一起工作過，1931年回國，為祖國效力。
就在1930年的時候，趙忠堯當時正在用高能γ射線轟擊物質，觀察物質對γ射線的吸收規律，他就發現了一個反常的現象，物質經過伽馬射線撞擊以後，會朝著不同的方向輻射出一個能量為0.5Mev的γ光子，不僅反向是隨機的，輻射出來的γ光子的能量也是確定的。
這個現象不能用伽馬光子與核外電子的散射來解釋，更像是與原子核的相互作用，當時就把這個過程叫做反常核吸收現象。
這是趙忠堯首次發現的，所以也叫趙忠堯特徵輻射，後來很多的同行都發現了這個現象。到了1932年，美國物理學家卡爾·安德森在山上研究宇宙線的時候，就在雲室中發現了狄拉克預言的正電子。
雲室我們之前說過，它可以顯示粒子的徑跡，我們在把雲室放在磁場中，根據帶電粒子在磁場中的偏轉情況，我們就能看出這個粒子帶正電還是負電，還能算出粒子的電荷，質量之類的資訊。
所以安德森只用了一個晚上的時間就確認了這是正電子，就是狄拉克預言的反物質。正是因為這個工作安德森獲得了1936年的諾貝爾物理學家。
正電子發現以後，人很快就對趙忠堯特徵輻射做出瞭解釋，這就是狄拉克所說的，給真空賦予能量，會從真空中激發出一個電子，產生一個空穴（正電子），隨後電子又落回到空穴，也就是電子和正電子湮滅就變成了兩個光子，之所以是變成兩個光子，而不是一個光子的原因是，兩個光子可以朝著相反的方向射出去，這樣就能保證不僅能量守恆了，動量也守恆了，那之所以每個光子的能量是0.51Mev，其實這就是一個電子的質量。
那在這個過程原子核在幹嘛？原子核是為了保證整個能量的轉化過程是守恆的，因為一個γ光子不可能直接變成兩個正負電子對，這樣的話不能保證動量和能量同時守恆，因此需要第三者的參與，就是原子核。跟剛才上面的情況一樣。
現在這個效應還有一個名字就叫正負電子對效應，說的就是一個高能γ光子入射物質以後，被原子核吸收產生正負電子對的現象。
這裡我再補充一下，當光子入射物質以後，從低能量到高能量會發生一下三種情況，光電效應、康普頓散射、以及正負電子對效應。
那我們下面再說最後一個問題，為啥趙忠堯沒有獲諾獎，他可是首次發現了正負電子的產生，以及湮滅的過程。
原因其實很簡單，他只是對這種現象做出描述，並沒有具體去解釋現象，更沒有說γ光產生了正負電子對，如果他能以輻射光子總是0.51Mev 的能量推斷出，這就是正負電子湮滅以後釋放的，那可能會有機會和安德森分享諾貝爾獎，這也算得上是間接地發現了正電子。所以趙忠堯與反物質看似是一步之遙，其實還有很長的距離。
總的來說，狄拉克的空穴理論意義重大，他讓我們發現了一個不一樣的世界，其實不光有反電子，我們現在所知的所有的粒子都具有自己的反物質版本，之所以會這樣，完全是因為上帝在創造世界的時候，最底層的邏輯就是對稱性。
這也是為什麼我們現在很多無法解釋的物理現象都需要在對稱性的自發破缺中才能找到答案。最後我再補充一點，狄拉克的空穴理論，其實只是為了讓我們更好地理解反電子的由來。
最後我們發現所有的粒子都有自己的反版本，所以這個空穴理論就沒用，應該從書中刪掉，但是這個例子比較形象，所以一直保留著。因此真空中沒有被電子、質子、和中子填滿，產生正反物質就是因為能量到物質的轉化，遵循了對稱性的要求。
好了今天的內容就到這裡，下節課我們說中微子的發現過程。
