反物质与统一场论

我们都听说过反物质这种反常识的东西,它的一个突出特点就是与物质相对,比如正电子;还有一个特性就是一旦反物质接触物质就会产生湮灭。其威力相当于不需要任何反应就能够使质量全部转换成能量,这也是目前认知威力最大的武器。在丹布朗的[罗伯特兰登系列]第二部曲[天使与魔鬼]中,就描述到一个教皇利用一滴悬浮容器中的反物质差点炸毁梵蒂冈的故事。正如作者所言,利用得当,反物质就是最新清洁的能源,一滴水大小的反物质可以供纽约一周的用电能量。
那么,反物质是怎样被发现的呢?这源于著名的海森伯不确定性原理的提出,即物质运动状态和精确方位只能二选一。正所谓遇事不决,量子力学;解释不通,穿梭时空。当双峰干涉实验产生量子力学这个学科以来,物理学分裂成了两大阵营,一个就是普朗克为首的学院派和爱因斯坦的权威派,爱因斯坦和波尔的世纪对决让他不得不承认量子力学确实与相对论不兼容。他的晚年就致力于发现能一统量子力学和相对论的同一场论,然而他没能成功。直到狄拉克的出现,使得统一场论有了希望。
这个合理的解释源于狄拉克方程。有趣的是,狄拉克方程的提出部分要归功于1968年上映的[2001太空漫游],狄拉克也为这部影片感到深深的震撼,并且非常赞同导演库布里克的一句话“最好的剧本不一定要体现在台词上,它可以隐藏在华丽的画面之中”。于是狄拉克推出了一个和爱因斯坦质能方程一样具有美感的方程式,他把4个矩阵用一个希腊字母代替,前两个矩阵不难理解就是代表普通电子,而后两个矩阵就比较科幻,耐人寻味的预言了很多东西,其中就有正电子。狄拉克也为这个方程感到骄傲,认为这个方程比他本人聪明。
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他把正电子命名为反物质,并且提出了文中开始提到的反物质的特性。那么反物质是怎么来的?他提出,反物质可以无中生有,就是说,真空并不是什么都没有,电子可以从真空诞生的正电子中获得能量然后再把能量还给真空,这就解释了电子的跃迁。
这个理论就可以反推到量子领域,之所以存在薛定谔之猫这种不确定性原理,就要从真空中的反物质能量来寻找答案。这也是统一场论的切入点。
以上的内容源于笔者最晚观看的Netflix高分科普片的下集,名为[无物]。当然反物质存在于真空也得到了实验证实,就是科学家在真空中观测到电子的波动,如果真空中什么都没有,电子就不会波动。

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