科學(xué)百科60期丨反粒子會(huì)產(chǎn)生反能量嗎？

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。

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第六十個(gè)問(wèn)題：反粒子會(huì)產(chǎn)生反能量嗎？

二十世紀(jì)初，物理學(xué)家開始明白，一切物質(zhì)都是由某幾種不同的粒子組成的。1930年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克在研究這些粒子的數(shù)學(xué)理論時(shí)斷言說(shuō)，每一種粒子都應(yīng)該會(huì)有它的對(duì)立面。

舉個(gè)例子說(shuō)吧！電子具有負(fù)電荷，而質(zhì)子具有大小正好相同的正電荷，但這兩種粒子并不是對(duì)立面。質(zhì)子的質(zhì)量顯然比電子大得多。

按照狄拉克的意見，應(yīng)該存在著一種具有與電子同樣大的質(zhì)量、但卻帶有一個(gè)正電荷的粒子，也應(yīng)該有一種具有與質(zhì)子同樣大的質(zhì)量、但卻帶一個(gè)負(fù)電荷的粒子。這兩種粒子后來(lái)確實(shí)被人們探測(cè)到了，因此，我們現(xiàn)在知道有一種“反電子”（即“正電子”）和一種“反質(zhì)子”。

中子根本不帶任何電荷，但它有一個(gè)指向某個(gè)方向的磁場(chǎng)。“反中子”也不帶電荷，但它的磁場(chǎng)所指的方向同中子的磁場(chǎng)相反。

似乎存在著這樣一條自然規(guī)律：一個(gè)粒子可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)粒子，但是，要是在起先并不存在粒子的情況下產(chǎn)生了一個(gè)粒子，就必定會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反粒子。

這里可以舉一個(gè)例子，一個(gè)中子可以轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子，由于這是一個(gè)粒子轉(zhuǎn)變成另一個(gè)粒子，似乎是不成問(wèn)題的。不過(guò)，在這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中還形成了一個(gè)電子。這就等于說(shuō)有一個(gè)粒子變成了兩個(gè)粒子。為了抵消掉這第二個(gè)粒子，這時(shí)還形成了一個(gè)非常微小的反粒子，即所謂“反中微子”。

這時(shí)，一個(gè)粒子（即中子）變成了另一個(gè)粒子（即質(zhì)子）加上一個(gè)粒子-反粒子對(duì)（即電子和反中微子）。

粒子-反粒子對(duì)既可以從能量產(chǎn)生出來(lái)，也可以重新全部變?yōu)槟芰俊Ｄ銦o(wú)法用能量?jī)H僅產(chǎn)生一個(gè)粒子，也無(wú)法僅僅產(chǎn)生一個(gè)反粒子，但是，你可以用能量產(chǎn)生一個(gè)粒子-反粒子對(duì)。

能量本身是由“光子”構(gòu)成的，這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：光于是個(gè)粒子呢，還是個(gè)反粒子？似乎沒(méi)有任何辦法把一個(gè)光子轉(zhuǎn)變成一個(gè)電子，所以，它不可能是粒子。但是，同樣也沒(méi)有任何辦法把它轉(zhuǎn)變成一個(gè)反電子，所以，它也不可能是反粒子。

不過(guò)，一個(gè)能量充分高的γ射線光子可以轉(zhuǎn)變成一個(gè)電子-反電子對(duì)。這么一來(lái)，光子本身似乎既不是粒子，也不是反粒子，而是一下子就代表一個(gè)粒子-反粒子對(duì)。

每一個(gè)光子也都是一個(gè)反光子。換句話說(shuō)，光子就是它自身的對(duì)立面。

你可以這樣來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題：假定你把一張紙從當(dāng)中對(duì)折，并把它一分為二。在其中的半張紙上寫下所有粒子的名稱，而在另外半張紙上寫下所有反粒子的名稱。那么，你該把光子寫在什么地方呢？當(dāng)然是該寫在折縫里了。

正是由于這個(gè)原因，粒子世界所產(chǎn)生的能量是由光子組成的，反粒子世界所產(chǎn)生的能量也是由光子組成的，兩者之間毫無(wú)差別。能量就是能量，并不存在什么反能量之類的東西（就我們目前所知道的而論）。