究竟是反粒子还是超光速粒子呢

在量子力学创建和发展中，一个有趣的现象是：几乎所有的量子力学中的方程，都可找到经典方程的对应。或者更直接地说，每一个经典方程 （当然是在分析力学意义下的哈密顿形式的方程）将其中的动力学变量换成相应的量子算符，即可得到适用于表述微观运动过程的量子力学方程式。但这种对应关系唯独最为美妙的狄拉克方程不具有！

1927年12月，狄拉克把量子力学和相对论结合起来，提出了描述电子运动的相对论性的方程式。有趣的是，这个方程除了通常的解还有一个能量为负的解。起初人们认为，负能量态的存在意味着物质是不稳定的，因为电子会不断向负能量的状态跃迁而不断辐射能量出来，这是一个近乎荒谬的结论。为了解决这个困难，狄拉克提出真空状态充满了负能量的电子 “海”，因为这些负能的状态已经被电子占领，正能量的电子就无法向这些负能状态跃迁。狄拉克还发现，如果 “海”中的电子被 “打”掉就等价于形成了一个带正电荷的粒子。后来人们认识到这样的 “空穴”应该和电子具有相同的质量，这就是正电子的最初的来源。在随后发展起来的量子场论理论里，人们用更好的方式引入反粒子，而无需假设 “狄拉克海”的存在。随着更加深入的研究，人们进一步发现，狄拉克方程具有 “电荷”反演不变的性质，即如果狄拉克方程描述了电子的运动，那一定还有与之对应的 “正电子”的解。

人们根据狄拉克方程给出的两个解，相信宇宙中还应该存在着 “正电子”。在这样的概念刚刚提出的时候，大多数人对此表示怀疑，因为正电子这么奇怪的粒子人们从来没有见到过。美国物理学家卡尔·安德森1932年就在宇宙线中发现了正电子的存在，这完全支持了狄拉克方程的正确性。1955年，美国物理学家西格雷等人用人工的方法在实验室中获得了反质子。此后人们逐渐认识到，不仅质子和电子，所有的微观粒子都有各自的反粒子，这促使人们猜测宇宙中正物质和反物质应该是对称的。当初人们对反物质感到陌生，是因为人们对于高能现象认识的缺乏，因为只有能量足够高，反物质才能被产生出来。但随着科学技术的发展，人们对于高能现象越来越熟悉，物理学家对于反物质也已经习以为常。比如，在美国的费米实验室的高能对撞机就是研究反质子和质子的高能对撞所发生的反应，中国科学院高能物理研究所主要进行正负电子的对撞实验。除了在实验室人们可以轻易产生这些反粒子，在高能宇宙线实验中，人们也观测到了反粒子的存在。宇宙线是来自于银河系高能天体所产生的高能量的粒子流，在这些高能天体中不存在反物质，否则就很容易和周围的物质湮灭掉。但高能的宇宙线在银河系空间传播的过程中，会和星际空间的稀薄物质碰撞而发生反应，反应产生物中即有反粒子。

究竟什么是反粒子或反物质？美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者S.温伯格的著作，如《广义相对论与引力论》《最初三分钟》《终极理论之梦》等书曾风行世界。在他的著名著作之一的 《引力论和宇宙论——广义相对论的原理和应用》一书中第二章中讨论了 “时序和反粒子”。温伯格写道：洛仑兹变换最显著的特点之一是它不能保持事件的时序不变。例如，假定在一个参考系中观察到x2处的一个事件发生得比x1处的一个事件晚，即t2＞t1。第二个观测者看到第一个观测者以速度v运动，他发现这两个事件相隔的时间差按洛仑兹变换法则计算可以倒过来即：t’2＜t’1。乍一看，这似乎会导致逻辑佯谬的危险。假定第一个观测者看到放射性衰变A→B＋C在点x1发生，随后在点x2粒子B被吸收，例如B＋D→E。第二个观测者是否会观测到粒子B在点x2的吸收先于它在点x1的发射呢？只要我们注意到任何洛仑兹变换的速度必定小于光速，那么这个佯谬就不会出现了。温伯格认为只有当速度大于光速，即当运动处于类空间隔时，才会出现上述佯谬。因此温伯格认为：

虽然时序相对性对经典物理学不会产生什么问题，但它在量子力学中却起着深刻的作用。测不准原理告诉我们，当我们确定一个粒子在时间t1所处的位置x1，则我们不再能精确其速度。因此，即使x1-x2是类空的粒子也有一定的机会由x1飞到x2。更精确地说，粒子由x1飞到x2的几率不能略去只要满足一定的量子条件。于是我们又遇到了上面的佯谬：如果一个观测者看见粒子由点x1发射而于点x2被吸收，只要满足一定条件，则第二个观测者可以看见此粒子在点x2被吸收的时刻t2早于它在点x1被发射的时刻t1。温伯格认为：只有一个方法消除这个佯谬。第二个观测者必须看到一个粒子在点x2发射而在点x1被吸收。但一般说来，第二个观测者看到的粒子必不同于第一个观测者所看到的。例如，如果第一个观测者看见一个质子在点x1变成中子及一个正π介子，然后在点x2看见π介子及某个另外的中子变成质子，则第二个观测者必看见在点x2中子变成质子及一个带负电荷的粒子，然后这个粒子在点x1被质子吸收而成中子。由于质量是洛仑兹不变量，故第二个观测者所看到带负电荷的粒子质量将等于第一个观测者所见正π介子的质量。的确存在着这样的粒子，称做负介子，而且质量的确与正介子相同。这一推理引导我们得出结论：每类荷电粒子都存在着与其电荷相反而质量相同的粒子，称做反粒子。注意，在非相对论量子力学或相对性经典力学中却得不到这样的结论；只有在相对论量子力学中反粒子才成为必要。而且正是反粒子的存在导致相对论量子力学具有如下特征，即只要给予足够的能量，我们就能产生任意数目的粒子及其反粒子。

前面我们谈到，物理学是表述而不是 “魔术”！而上面的引述似乎表明温伯格在这里玩了一个超级的物理魔术，他一方面用了相对论的洛仑兹变换造成时序的相对性，另一方面又用了测不准关系来模糊粒子运动真实速度的大小，还用有一定出现几率来回避是否 “必然发生”的问题。于是得出 “只有在相对论量子力学中反粒子才成为必要。”这里出现了一个 “魔术”怪圈：时序的相对性借助量子力学的不确定性引出了反粒子，而1907年爱因斯坦正是由时序相对性否定超光速运动存在的可能性。

但如我们前面已讨论了的，当人们用光线作为观测工具，对超光速客体进行观测时，必然出现时序的相对性。这种相对性完全是我们经验特性所能理解的，如人们听到来自超音速飞机的声响，当飞机向我们飞来在没有越过我们头顶以前，就是后发出的声波先被我们听到，于是出现了飞机声响的发出过程于我们听到声响过程相反的 “时序相对性”。

按爱因斯坦物理的直觉能力，他不可能不觉察到 “反粒子”的出现可以用时序的相对性来解释，如果是这样那么反粒子的出现就是给他的 “格格不入”当头一棒。因此本来狄拉克理论的出现，是相对论和量子力学相结合的最好典范，但爱因斯坦却始终不看好狄拉克的理论。他在1926年8月21日写给索末菲的信中说：“海森伯—狄拉克的理论我固然不得不佩服，但是我却闻不到真理的气味。”狄拉克方程在1928年初就发表了，安德森1932年就在宇宙线中发现了正电子的存在，这完全支持了狄拉克方程的正确性。从此开始到爱因斯坦1955年逝世长达23年的时间内，竟没有对反粒子的问题发表过任何意见。如果说爱因斯坦不承认量子力学因而不推荐量子力学的创建人获取诺贝尔奖，那他推荐过薛定谔和海森伯。令人奇怪的是，不论是在1928年还是后来任何时候，爱因斯坦都从来没有推举过狄拉克。大概是由于他太忌恨 “时序相对性”了吧！与他的经验特性是那么格格不入。

曾有人对我说宇宙那么大，上帝如何能照顾过来呢？本来上帝或许是有超光速工具的，但出生犹太裔的物理学的上帝——爱因斯坦，为了报复圣经中的上帝曾对犹太人的不公，而用他的特殊身份把超光速给处决了；但上帝又派狄拉克借助量子力学的面具把超过光速运动还魂在 “反粒子”中。而芬斯勒时空中的相对论将为这近百年来的冤案从理论上讨回了公道。只等未来的物理学家来加以验证。