反物质是相对论下的蛋说起爱因斯坦的相对论,大家实在是太熟悉了,光速不变,钟慢尺缩,双生子佯谬,隧道跑火车,可谓科学界的唐诗三百首,令人“不会作诗也会吟”。除此之外,相对论的又一大贡献是发现了质能守恒定律:
有了它,人们才弄明白万物生长靠太阳,太阳发光靠mc平方;有了它,人们才懂得利用核能;也正是有了它,狄拉克在1928年才发现了自然界存在着反物质。
质能守恒定律为什么能预言反物质的存在呢?让我们先从一个简单的例子来理解一下它的意义。如果你还记得高一物理,一定还对牛顿力学中物体的动能公式有印象:
这里E_k是物体的动能,m是质量,v是速度。换一种更一般的写法就是,
其中p=mv是物体的动量。1926年,奥地利籍物理学家薛定谔,将量子的波动性思想和后一个版本的能量表达式结合起来,发现了薛定谔方程——量子力学量力学,从此物理专业的大学生又多了一门考不过的课程[1]。
这样想想科学发现好像也不太难吗!你看这么简单的公式,往量子力学一应用,就是一套学问,这我也会,
慢着,如果物理学真有这么简单,那么人人都能拿诺贝尔奖了。实际上,我们高中学过的那套公式是牛顿力学中唯一正确的动能表达式,其他说法中所谓的“能量”并不守恒。不守恒的能量有如“屠龙之术”,世界上又没有龙,屠不屠龙没什么意义。
在相对论力学中,动能,动量和(静)质量的关系有点儿复杂,
不知道大家看出来没有,和牛顿力学相比,这里的能量多了一个平方号,成了一个二次方程(其中c是光速)。如果你还记得初二数学,会想起二次方程有两个解。把上面的方程移项,开平方,得到关于能量的解应该是正负两个!能量怎么会有负的呢?恭喜你,已经接近反物质啦!
和牛顿力学一样,上式的能量定义是狭义相对论中的唯一正确的守恒能量,大家不需要再去做别的尝试。我们常见的mc平方的表达式正是本式的简化版本。1927年到1928年间,英国物理学家狄拉克受到薛定谔方程的启发,也打算把这个能量公式应用到量子力学中去,看看能得到什么。这个想法实现起来极其困难,因为能量、动量在量子力学中是一堆微分算符,怎样让算符开根号呢?狄拉克天才地把微分算符开了根号——不服的话不妨试试看,保证泪流满面——得到了相对论性的量子力学方程(或场方程),就是狄拉克方程。在狄拉克之前一定有人想过这样试试,但是只动嘴皮子没有用。仅仅有想法不能算科学发现,只有找到人们从未发现的,支持自己想法的证据,或者说可以被验证的结论,例如方程,方程的解,对现象的预言等等,才能算作科学发现。