反物質

封面美麗的“光團”是宇宙中有名有姓的螺旋星雲，與反物質其實無關。真實的湮滅並不華麗。 這本書出版已有十年之久了，去年ALPHA就能通過鈹冷卻（同情冷卻）技術在短短7小時內同時困住15000個反氫原子，而我國的JUNO也在驚人的59天完成了對太陽中微子張力的數據採集和持續確認，在右手馬約中微子等探索上也提供了無可挑剔的實驗平臺，理論框架和合作基礎。 反物質真實存在，但製造需要大量能量，湮滅無法完全收能，存儲，運輸均存在巨大挑戰。 但它的應用是實在的： 未來可能的火箭燃料供應； 第一張和第四章都有提到的利用正電子的糖湮滅位置產生的伽馬射線來治療癌症- - PET掃描； “走進科學”，撥清科幻與現實的界限（至少是現有階段的界限）； 最最重要，驗證那些經久的物理定律和探尋未知的縫隙— —蹺蹺板機制，中微子振盪…… 閱讀到第六章關於反物質的儲存，驚歎人類怎麼可以聰明成這樣？利用電磁力束縛正電子，讓它在封閉真空下作“最自然”的週期運動（僅憑電力或磁力無法困住正電子）。更有趣的是，Penning陷井的“前身”是二戰時期用於粒子加速增加能量的裝置，這種裝置本身就需要電磁的統一。還有後來提到的激光踢出反質子（多普勒），電壓脈衝，這些，無不處處展現力學和狹義相對論的光輝。 關於第七章提到的外星人拜訪，其實是個嚴肅的問題。物理的嚴謹也許可以幫我們弄清對方到底是不是反物質，但外星文明根基的不可預料卻不能幫我們預測對方是否說謊。高於我們的文明通過無線電能否判定我們是物質還是反物質尚不知道，但它首先評估的一定是承受湮滅的代價，其次纔可能是善意。畢竟宇宙物質與反物質這場漫長的鬥爭，物質不是平手。 好奇馮諾伊曼當時有沒有想過這個問題，會給出如何的答案。 最後回到太陽，第一章計算的10%可見光來自正負電子湮滅是個明顯的錯誤（第一章注），正負電子湮滅不直接產生可見光，是伽馬射線，而十萬年的路徑十分複雜。 核聚變讓它走了十萬年，褪變成可見光再經過八分鐘抵達地球； 而太陽中微子直接承載着最原始的密碼穿透着我們的肌膚。 秦時明月漢時“光”，你感受到的，感受不到的，都被光串起。

⛳⛳神奇的物質，不，神奇的反物質！印象中小小的一粒塵埃，不幸飄入，頃刻間，斗轉星移，萬物凋零。對其本質知之甚少，毫無觀念。 👉🏼 讀完弗蘭克·克洛斯的《反物質》，又一次被科普了（上一次是《時間的形狀》），着迷那正反物質的相互湮滅，爲何會有物質產生？對稱性是一個很深奧的研究課題，不易觀測。國際報到發現中微子與這剛好有聯繫，中微子可能CP不對稱。 ♦️ 費米子纔有伴侶，至於玻色子，如光子，目前來說還是孤零零一個人，還沒有反光子。 💦不曾想，已經走了那麼多步，在未知的無窮無盡的宇宙中，我們蹣跚前行，稱讚與自豪應是少不了的。 ✨✨書中某某對費米子的公式，得來的方法另人驚歎，感慨遺忘了的高數，矩陣的神奇。 🌟遺憾的是，人爲製造反物質來提供能源是行不通的，能量守恆也不那麼可愛了。製造的速度與成本限制了其作爲武器的用途是一幸事。不過又挺希望能看到正反物質（有可觀質量）相遇的情景。 💕 當我離去，萬物凋零，斗轉星移。 🤔反物質與物質接觸而湮滅時會放出禁錮在內的巨大能量，並留下光子這種既非物質又非反物質的東西；反過來，在適當的條件下，光子也會變成一對物質和反物質。科學家相信，宇宙大爆炸之初產生了很多物質和反物質。然而，爲什麼最後留下來組成我們這個宇宙的只有物質呢？如果物質和反物質是等量產生的，湮滅之後應該什麼也不留下來纔對啊。他們初步懷疑問題出在中微子上。中微子“與電子類似，可算電子的電中性姐妹”，它的質量幾乎爲零，不帶電，沒有內部結構，以接近光速的速度在宇宙中穿行，可自由穿過所有星球，幾乎不與任何物質發生作用，號稱宇宙間的“隱身人”。美國詩人約翰•厄普代克（John Updike）作了一首關於中微子的詩《宇宙瑕疵》，很形象地描繪出它的特點。 🔮🎗中微子，它們非常小。 它們無電荷無質量， 全然沒有相互作用。 地球對它們只是一個糊塗的球， 它們穿球而過， 像塵埃少女穿堂而過， 亦如光子通過一片玻璃。 它們傲視最精美的氣體， 忽視最堅實的牆， 輕視鋼和堅固的黃銅， 蔑視馬廄中的牡馬， 藐視種類的障礙， 滲透你也滲透我！ 像巨大又鋒利的鍘刀， 它們鍘過我們的頭進入地表。 晚上，它們進入尼泊爾， 從牀的下邊戳穿情人和他的情侶 ——你稱它奇妙，我稱它冷酷。

如果你問我，宇宙中最神祕的東西是什麼，我一定會回答是反物質和暗物質。 但其實我並不確知這二者究竟是什麼，何以存在，又有何區別。甚至在讀本書之前，我還以爲反物質與暗物質一樣，都是我們肉眼不可見的東西，而實際上，「如果某天你恰好看到了一塊反物質，你應該不會特別注意到它：從很多外部性質上說，反物質與普通的物質看起來沒什麼區別」。 反物質與暗物質有着非同尋常的魅力，引誘我翻開書籍，嘗試瞭解它們。 第一站便從《反物質》開始吧。 本書是一部十分正統的科普作品。 所謂正統，指的是它書如其名，緊緊圍繞着反物質談論，小十萬字的篇幅中沒有一句閒筆，讀完令我收穫頗豐，有種被美味的知識餵飽的滿足感。 本書內容包括反物質是什麼，反物質是如何被發現的，以及科學家們如何製造和存儲反物質，同時，還順道闢謠了通古斯事件是反物質災難、美國軍方已掌握反物質武器等一系列神乎其神的“江湖傳說”。 作者弗蘭克·克洛斯既是牛津大學理論物理學教授，也是日內瓦歐洲核子研究中心傳播與公衆教育部門負責人，他用紮實的理論知識和風趣的語言文字，將硬核而枯燥的粒子物理知識儘可能講得通俗易懂、趣味紛呈。 形象的比喻和精妙的形容貫穿全書。 例如，作者將看起來與普通物質別無二致的反物質，比喻爲看似無害、實則危險特洛伊木馬：「它的僞裝堪稱完美，以至於看起來完全是物質家庭的一員，而它內在的破壞一切遇到的東西的能力使它看起來更像“特洛伊木馬”。」 再如，談到科學家們發現本以爲不可分的質子實際上由夸克構成時，作者形容質子「就像蟻丘一樣，遠遠看去只是一大塊黑色的土堆，但近看就會發現內部有很多小的生物正在火熱地活動着；對於質子而言，遠看是一個緊緻的帶電球體，但近看會發現它是一個夸克的簇團。」 又如，作者將反質子與質子遭遇後湮滅的經過，浪漫地描述爲一支華爾茲舞：「湮滅過程並不是瞬間完成的。相反，在相互進入並最終結合之前，一對質子和反質子會跳一支華爾茲舞。……如果反質子以一個相對慢的速度靠近質子，就會陷入質子的正電荷引力中，開始繞着質子旋轉，很像電子在原子中的情形。」 所謂反物質，就是物質的忠實反面。構成反物質的反粒子，與其對應正粒子的質量相同，而電荷相反。 當反物質遇到正物質時，就會湮滅。所謂湮滅，通俗來說就是粒子的質量全部轉化爲能量，粒子消失而能量爆發。整個過程符合愛因斯坦質能方程E=mc²。 用一個對比就能清楚看到反物質湮滅所釋放的能量之巨：「一千克反物質的湮滅，釋放的能量是一千克TNT炸藥爆炸能量的100億倍，是相同質量核裂變能量的1000倍，核聚變能量的100倍。」 當對反物質有了最粗淺的理解後，你一定也會同我一樣心中充滿了問號： 爲什麼質量相同、電荷相反的正反粒子相遇就會湮滅？ 爲什麼我們周圍的世界是由物質而不是反物質構成的？ 如果反物質能如此高效地釋放能量，爲什麼不用它替代核能？ 與反物質有關的、包括但不限於這三個問題的答案，都可以在本書中找到。 故事還得從發現反物質的經過談起。 現代物理學上的新進展，走的常常是這樣一條曲折的道路：不符合常理的現象在實驗中反覆出現，而實驗物理學家要麼選擇忽略這個現象，要麼千方百計地用已有理論解釋這個現象，卻始終無法說服自己；與此同時，一位理論物理學家從某個偉大的方程式中導出了一個顛覆性的推論，但起初並不引起學界重視；直到理論與實驗的兩條路徑交匯，就像天雷勾動地火，孕育出全新的物理學。 反物質的發現也是如此。 1923年，蘇聯科學家斯科貝爾金在列寧格勒研究γ射線的雲室中，第一次觀測到了一些「偏轉到了“錯誤的軌道”上」的電子軌跡，在學術會議上引發討論，卻最終只帶來了困惑。 1928年，狄拉克在劍橋寫出了狄拉克方程，並預言了反粒子的存在。這個觀點實在太過新奇，在人們對粒子和世界構成的認識還極爲單純的當時，理論界根本沒有反電子的容身之處。「在狄拉克發表了他的言論之後的數月間，每次他做完報告，都有人質疑他：“反電子在哪裏呢？”」 1930年，美國物理學家米利肯建議他的學生安德森去製作一個足夠強力的磁鐵，以用於偏轉宇宙射線，安德森在實驗中觀測到了彷彿是反向運動的電子所留下的軌跡。此時的安德森和米利肯尚未得知狄拉克突破性的理論。米利肯堅持這些軌跡是質子造成的，儘管那軌跡極爲細小，而安德森則“忤逆老師”，在1932年將正電子的軌跡圖片發表在了《科學新聞快報》上。 1931年，劍橋大學卡文迪許實驗室的布萊克特和哈里利在雲室發現了花灑般的奇怪軌跡，但直到他們聽聞安德森的發現，才真正意識到自己看到的是什麼。1933年，他們將自己的發現投稿到英國《皇家學會學報》，並明確指出正電子在實驗中產生，而非來自宇宙射線。 至此，狄拉克的理論，才與安德森、布萊克特和哈里利的實驗結果相遇。這種理論和實驗的完美結合，很快在科學界掀起了研究正電子和其他反粒子的熱潮。 反粒子存在和湮滅的本質就藏在狄拉克的理論之中。 著名的狄拉克方程，即電子在高速運動下的薛定諤方程，使狹義相對論與量子力學完美結合。 但狄拉克方程有兩個可能的解，一個解表示電子擁有正能量，而另一個解則表示電子擁有負能量。然而如果電子可以處於負能態，則物質中的電子就會自發躍遷到更低的能態，這會導致物質世界的崩壞。我們的世界尚且完好，就說明負能態已經全部被佔滿了，物質中的電子沒法跌落其中，所以物質才得以保持穩定。 狄拉克用形象的“真空海洋”理論來進行比喻。他認爲，真空中充盈着一個深邃而平靜的“海洋”，海平面處爲能量零點，往下則是負能級的世界。如果沒有擾動，它是不可見的。 普通情況下，海洋中沒有任何空隙，但若用足夠大的能量轟擊海洋，則海洋中一個處於負能級的電子就會獲得能量躍出海面，成爲一個攜帶正能量和負電荷的普通電子，而與此同時，海洋裏就留下了一個空洞。由於這個空洞流失了一個帶負電荷的電子，因此可以把它看作帶正電荷，而它又是一個負能量海洋中的空洞，負負得正，可以看作擁有正能量。這個空洞，看起來就是一個攜帶正能量和負電荷的“正電子”。 所謂湮滅，可以理解成一個普通粒子遇到了一個真空之海中的空洞，就掉落了進去，融入不可見的海洋消失了。它從正能態躍遷至負能態，於是釋放出能量。 從這個角度理解物質也非常有趣。能量凝聚成了物質，物質就是禁錮的能量，而反物質則是能量造物時刻下的凹痕。 但是，如果能量總是同時造就一對正反粒子，而它們又總是成對湮滅，那麼我們的物質世界是如何出現的呢？ 當今的主流思想認爲整個的可見宇宙都是由物質組成的，反物質是被排斥的。 理論認爲宇宙在大爆炸之後馬上銜接着一場大湮滅。在每五立方米的空間內，有一百億零一個質子與一百億個反質子，一百億對正反質子湮滅，而現在保留下來的物質宇宙正是來自於那唯一存活下來的質子。「今天所有的一切，都是某個龐然大物消失後剩下的一絲殘片。」 那麼多出來的質子是哪裏來的呢？ 對粒子物理的深入研究發現，自然中存在着三代中微子。三代的正中微子和反中微子不會按照相同的比例衰變。 意大利理論學家埃託雷·馬約拉納就此提出馬約量子的理論。馬約量子的衰亡生成了不等量的中微子和反中微子，它們撞擊各種粒子和反粒子，導致夸克的數目略微超過了反夸克。 儘管在誕生之初，正反粒子完全是鏡像存在的，但在宇宙形成後的瞬間，物質和反物質之間的不對稱就已出現。物質與反物質的不對稱性，帶來了百億分之一的“倖存者”質子，就是它們構成了我們生活其中的物質世界。 這個理論目前仍是猜想，我們仍在尋找馬約量子。 狄拉克的理論不僅預言了每種粒子都存在一種反粒子的配對，還指出我們可以用能量轟擊的方式製造反粒子。 以大型正負電子對撞機（LEP）爲代表的粒子物理實驗設施在世界多地建立，開展對反物質的製造和研究。 在我們這個物質世界上儲存反物質是一大難題。由於反物質會摧毀任何物質，所以只有用不是物質的籠子才能關住它。 科學家首先製造出一個比外太空更加空曠的真空管道，確保反粒子很難在其中遇到物質粒子，然後對其施加電場和磁場來限制住反粒子，形成一個永遠運動的環形束流。 但這種辦法只對帶電荷的反粒子有效，對於不帶電的反原子、反分子甚至宏觀反物質，目前尚未有能夠較長時間儲存它們的方式。 正因如此，儘管我們已能夠製造出反物質，但利用它們作爲能源或武器，目前來說依舊僅僅是科學幻想。 從1923年斯科貝爾金第一次觀測到正電子，到2023年的今天，物理學家們對反物質的研究已歷時整整百年。 反物質的理論本身和它的研究之旅都是那麼地美妙，正如作者所說：「現實的靈感如此美妙，誰還需要虛構呢？」 儘管它身上仍舊謎團重重，但我們已經知道，是反物質施放了無中生有的魔法，讓宇宙萬物以及我們的生命成爲可能。

通常人一說到反物質就會想到丹·布朗（Dan Brown）的小說《天使與魔鬼》。而本書從科普角度介紹反物質。一般說“物質存在突然遇到了反物質的自己，它們的參數是完全互補的，最終會相互協調然後消亡。反物質的魅力就在於，它會在一瞬間摧毀物質。反物質顧名思義，真的可以“反”物質”。反物質極其罕見，在現實中幾乎不存在，而微量的反物質摧毀物質時，反物質本身也被摧毀了。“如果一種物質會摧毀所有接觸它的東西，那麼怎麼存儲它呢？”。 另外，反物質消失之謎？也許“謎團的重點並不在於爲何反物質會消失，更多的是爲何物質留存下來了？答案也許是，它們之間並非完美鏡像對稱的，相互有一些差異。” 例如，“像癌細胞，殺死了宿主之後自己也會死亡。我們世界中任何物質的湮滅，都會對應着相同量反物質的消失。” ……不過，現在有人提出：“因爲反物質會摧毀任何物質體，所以只有一種沒有物質外殼的籠子才能保存它。這個辦法就是製造一個比外太空更加空曠的真空，其中施加電場和磁場來限制住反粒子——比如，正電子或反質子，形成一個環形的束流”。 一般認爲“經過長期的物質與反物質的湮滅之後，剩下的殘餘部分才形成了今天的物質宇宙。而湮滅的結果就是之後140億年中遍佈宇宙的電磁輻射和“微波本底輻射”。壞女巫死了，物質獲勝了；在物質和反物質這兩種勢均力敵的無限之中，物質的無限更大。” 這些聽起來都很玄乎吧？ “湮滅的結果可能是一束射線，也許是伽馬射線，從湮滅處以光速向外發射，而反物質的威脅就此解除了。這就是爲什麼沒有反物質存留——至少我們周圍沒有——的原因：所有的反物質都被摧毀了，獲勝的是物質一方。” 爲什麼？哲學家說“物質勝精神？”😄😄😄 此類故事的確很八卦！並且作者認爲“反物質不僅僅只存在於科幻界，它真實存在，而且似乎軍方確實在研發反物質武器。” 另外，自然有人關心反物質會撞上地球嗎？它因此被用來解釋人類幾次非常奇怪，並且難被科學解釋大事件，例如，俄國通古斯大爆炸。“通過分析爆炸得到的初步證據以及爆炸區域物質的神奇消失現象，和一種假設非常一致：罪魁禍首是一個反物質，其形態大約是1米見方的一塊反岩石，它摧毀了包括原子核在內的一些東西。” 這些當然依然是推理。 本書還解釋大批科普概論性質之類東東，例如，光譜和量子電子，自旋的電子及正的電子，更多反粒子，夸克和反夸克，還有，例如， E代表愛因斯坦，並且E=mc2，量子力學方程 ，薛定諤方程，潘寧陷阱，正負電子對撞機，鏡像宇宙，中微子，炫酷的反物質炸彈，特別是“幽靈般的中微子是否符合“左手物質，右手反物質”定律，或者它“同時”是物質和反物質？考慮到中微子及其反粒子並不是真正的確切物體，以上的問題仍然無法回答”等，另外它還包括一些人物介紹，例如，保羅·狄拉克，奧斯卡·克萊因，布萊克特的創造類等，多少對於非專業可能都有些燒腦。不過注意⚠️ 不要和反外星人握手！ 另外，還有些，例如，既非物質亦非反物質東東。例如，“存在物質，比如電子；也存在反物質，比如正電子；而且還有一種東西既非物質也非反物質。這種超越了物的東西，最熟悉的例子莫過於電磁輻射了。所有的電磁輻射，從γ射線、X射線、紫外線到可見光、紅外線、無線電波，都含有不同能量的光子。物質和反物質可以相互中和抵消，它們湮滅時會留下光子這種非物的東西；如果環境合適，這個過程也可以反過來，光子會變成一對物質和反物質。”…… 簡言之，它介紹多反物質的理論及反物質的實體，還有正電子等像八卦一樣故事，但是對於沒有物理學背景讀者，應該其都是些比較深奧，不易讀，它是235 頁能夠開眼界與心胸，思想超前能夠走馬觀花之響東東。🙂🙂🙂。

非FBI Warning：讀此書之前，最好先具備一定的物理學和化學常識，因爲哪怕你具備了這些常識都不一定能看懂。 我就是那個看完後還一知半解的。 我得到最大的收穫，是對量子力學的部分又有了更深入的瞭解。

　反物質：真實或者虛幻 我父親以前常說：“當無堅不摧的矛遇到堅不可摧的盾時會怎樣？”當然他並不會把這個問題延伸到宇宙論的高度。就像牛頓並不滿足於一個運動定律，貝多芬不止步於一首交響曲，我的父親也有更多的疑問：“如果一種物質會摧毀所有接觸它的東西，那麼怎麼存儲它呢？” 一種東西會首先摧毀它的容器，這種觀點有一個重要的蘊含：爲什麼會禁錮於此？當打破牢獄跨越而出，它就可以肆意吞噬周圍一切，人擋殺人佛擋殺佛，更別說渺小的人類了。這個力量實在強大，場景如此恐怖，簡直是人類的噩夢。 我此前相信的答案是：他的問題只是科幻小說裏的橋段。但是我錯了。 無堅不摧的力遇到堅不可摧的體——這是一種無限的概念：當兩個無限相比較時，哲學家們對這種悖論也十分惱火，只能說：“我的無限比你的無限更大”。

人類的征途是星辰大海，也是粒子黑洞。《反物質》是一個指引，讓人類這個宇宙的精靈開啓一個新的冒險去挑戰未知的整體，拓展人這個物種的支配能力。 該領域的現狀目前僅僅只是萌芽階段，離應用還遙不可及，是人類文明最富詩意的地方，可以在未來無涯的日子豐富人類的探索之旅，也是人類進化過程中可以實現飛躍的關鍵部分。 讀後感：人類比起可以輕鬆碾碎人類的宇宙來說，是幸運和高貴的——人類可以知道自己的侷限，也可以在曙光之中滿懷希望，自知自己的可能與不可能，這比雖然強大又浩瀚的宇宙悲情又高貴。

好看，作者把複雜枯燥的反物質闡述地很意思！可以看出來譯者也具有很強的物理基礎，至少讓我這個物理智障讀的津津有味，最讓我感興趣的一句話是：一個反粒子可以看成是一個粒子在時間中逆行。 突然覺得很多科幻大片或奇幻電影中，主角變成一道光或者光化身成人一點也不誇張了，物質可以和能量互相轉換，物質可以變成光，光也可以變成物質，不敢想象再過個幾百或者幾千年的未來世界會是多麼精彩！ 在讀的過程中，我產生了一個想法，：宇宙中存在很多平行世界，可能是物質的，也可能是反物質的，而我們熟睡中經歷的那些光怪陸離的夢境就是不同的“我們”在其他平行世界的人生碎片。不同平行世界之間的建立的鏈接類似量子糾纏？以上都是我瞎說的，沒有任何科學依據～

《反物質》的作者是牛津大學物理學教授弗蘭克.克洛斯。本書是一部系統而科學的反物質科普書籍，它以反物質炸彈爲切入點，根據科學實驗、實例和現象，力求用通俗的語言介紹了人類對反物質逐步深入的研究歷程，講解了反物質如何存在、產生、湮滅、存儲、利用和影響，並試圖幫助讀者區分反物質的相關故事中哪些是真實的，哪些又是科幻。作者告訴我們反物質是什麼，它是如何被發現的，人們如何製造它，它會帶來哪些和威脅，也評估了反物質作爲長途太空旅行燃料以及武器的諸多現實的可能性。 普通的物質隨處可見，它們構成宇宙、地球、動植物和你我。物質的反面，同物質的所有方面都一致，只是原子內部深處的一切都是相反的，這就是反物質——物質的對立面。一旦反物質與物質接觸，電光火石間就會相互湮滅，並釋放出禁錮了數億年的所有能量，反物質因而被認爲是新世紀的一項前沿技術，可作爲一種完美的能源。 一、真實或虛幻。80年前，反物質理論被第一次提出。75年前，第一個反物質被發現了，那就是“正電子”。反物質似乎在大爆炸初期就被消滅掉了，反物質摧毀物質的代價是同時摧毀自己。經過長期的物質與反物質的湮滅，殘餘部分才形成了今天的物質宇宙，湮滅的結果是之後140億年中遍佈宇宙的電磁輻射和“微波本底輻射”。在物質和反物質勢均力敵的無限之中，物質的無限更大。 從理論上來說，反物質幾乎是一種最好的將物質能量釋放出來的方法。原子內部的能量大部分儲存在原子核中，想要釋放所有能量，只能通過逆轉億萬年能量凝聚成物質的過程，將物質再變成能量，反物質可以做到這一切。有人還認爲通古斯大爆炸是外星反物質碰撞地球的範例，但作者並不這麼認爲，他也不認爲反物質會撞上地球。 現代科學家已經成功地製造出了少量的反物質。最簡單的反物質是正電子——電子在反世界裏的鏡像。如電子極有可能是世界中原子內的基本組分一樣，正電子也極有可能是反世界中的反原子內的基本組分。一些元素的原子核被稱爲“正電子源”，其原子內部並沒有預存正電子，而是釋放出來的能量創造出了正電子。正電子從原子內飛出，遇到電子後就會一起消失，一閃成伽馬射線。我們看不見伽馬射線，但儀器可以，它被應用並製造成了醫學PET掃描儀——正電子發射斷層成像（PET）。太陽內部也在不停地製造正電子，隨即湮滅。一個電子發生湮滅釋放的能量，相當於10億個原子發生化學爆炸時產生的能量，所以，正電子能量轉化可以成爲一種革命性能源。 二、物質的世界。描述原子行爲的法則稱爲“量子力學”，它可以預言出某個特定原子進行某種行爲的概率。量子力學的基本定律也適用於單個原子，並不能準確預言單個原子受到碰撞時會發生什麼情況，但是當數百萬的原子參與進來時，牛頓確定性定律就會從潛在的量子準則裏浮現出來。 量子力學中，可能性代替了確定性，可能性上下浮動。這個觀點的首個成就，就是解釋了爲什麼原子得以倖存。這個觀點首個成就就是解釋了爲什麼原子得以倖存。 原子光譜現象解釋了不同元素的色彩不同，是因爲原子內部電子的量子躍遷。光子能量的不連續性（離散化）在眼睛看來就是不同的顏色。 “塞曼效應”揭示了電子會像一塊微型磁鐵一樣自身擁有南北磁極，這使得電子具有一種能夠自身旋轉的特性，被稱爲“自旋”。爲了解釋這個特性，狄拉克結合了相對論和量子力學。愛因斯坦首次發現了能量的實質，得出結論：物質是禁錮的能量。當能量凝聚成物質粒子時，它會產生一個負的烙印，這就是反物質。而狄拉克首先發現了這個真理。 三、石碑。只要知道粒子的能量、質量和動量之間的關係，量子方程就能計算出任何時間點將會發生的事情。是的，問題的關鍵就是確定關係。 通過使用矩陣，狄拉克成功將一個物體的總能量表示爲其靜止能量和運動能量之和，與愛因斯坦的相對論完全一致， 矩陣還可以描述物體旋轉時的狀態。 所有原子內的電子都是相同的。不同元素的原子的差別在於圍繞中心原子核運行的電子數量不同。電子力學將電子束縛在了幾個特殊的軌道或者“量子態”上。兩個具有某些相同性質的電子不能同時處於相同能態上。 當意識到自己的方程意味着電子可以具有負能量，狄拉克引入了不相容原理，並以此爲基礎提出了一個新的觀點，他認爲所謂的真空並不是空的，而是像個無底洞。如果所有負能級都被佔滿了，那麼電子就不能再掉進這個負能量井中，所以物質得以保持穩定。如果負狀態爲空，同時正狀態爲滿，就會導致一個正能量電子，同時這個“洞”就實際上成了一個正能量的正電子。要產生這種情況，首先要向真空中注入足夠的能量。而光子可以提供這些能量，使光子轉化成一個電子和一個正電子。比如伽馬射線就可以將一個電子從負能態轟擊到正能態上去，同時產生一個正能量電子和真空內的一個空洞。 1931年9月，狄拉克公佈了他的結論，這種空洞是“一種新粒子，實驗物理的未知地，與電子電荷相等且質量相同。我們可以稱之爲反電子”。他預言每種粒子都存在一種反粒子的配對。這個理論在當今已被視爲一個基本真理，是人類對廣闊宇宙圖畫中深奧對稱的一瞥。 四、宇宙新發現。 1923年，科學家斯科貝爾金在列寧格勒使用雲室來研究伽馬射線，他觀察到了一種異常的拖尾現象。事實上，他是第一個看到宇宙射線本身軌跡的人。之後，美國物理學家羅伯特·米利肯創造了名詞“宇宙射線”，並且認爲宇宙射線就是伽馬射線。他的學生安德森後來發現宇宙射線中同時含有帶正負電荷的粒子，兩者數量相當。 1932年，人們在宇宙射線中發現了正電子，布萊克特和哈里利的結論是：宇宙射線與電離室中的原子相碰，產生了正電子，他們首次證實了輻射可以創造出物質，當然還有反物質；證明了安德森的新粒子並非來自於外星球的入侵者。 後來科學家才發現，地球上也在時刻產生着——某些放射過程就會產生正電子，這在醫學和科技領域得到了廣泛應用，包括碳-11，氮-13和氧-15等。 正電子是反物質的源種，太陽聚變將4個質子融合成了一個氦原子核，放出兩個正電子和兩個中微子。正電子湮滅放出光子。大約10%的可見光來自於正電子湮滅。 五、湮滅。物質和反物質可以相互中和抵消，它們湮滅時會留下光子這種非物質的東西；如果環境合適，這個過程也可以反過來，光子會變成一對物質和反物質。 目前知道的非物粒子已經超過了100種，光子是其中一種，這些非物粒子被稱爲“玻色子”。與之相對應，實物粒子是物質或反物質的基本部分，被稱爲“費米子”。費米子的行爲可用狄拉克方程描述，但玻色子遵循另外的準則。現代“量子場論”認爲，所有的力都是由玻色子傳遞的。光子傳遞了電磁力，類似地，“引力子”被認爲傳遞了引力。 所有這些傳遞力的媒介都是非物的，既不是物質也不是反物質，它們都是“玻色子”，作用於物質或反物質粒子上，同時也可以將自身轉化成物的這兩種對稱的不同形態，而這兩種形態都是“費米子”。玻色子可以來去自由，而費米子最終只能衰變成最穩定的形態，即電子以及質子、中子的排列，此時它們瀕臨邊緣——容易變成它們的反物質鏡像。 狄拉克方程最初的目的是解釋電子，而方程暗示質子和中子也具有反物質配對——反質子和反中子。正電子被發現之後，人們開始嘗試驗證反氫原子的另一個部分的存在——反質子。當能量轉化成質量粒子時，總是成對出現的——一對粒子和反粒子，所以質子加速器的設計能量指標足以同時產生一個質子和一個反質子，但實現起來非常困難，反質子非常罕見，更多的時候產生的都是更輕的粒子。 後來又發現了物質的一個更深的層次——“夸克”以及反物質內的“反夸克”，在宇宙射線和加速器中發現的很多粒子都是由一個夸克和一個反夸克構成的，比如，介子和“奇”K中介子。 目前已經可以通過實驗觀察到質子與反質子相遇時的狀況，湮滅過程並不是瞬間完成的，相互進入並最終結合之前，一對質子和反質子會跳一支舞。最初的旋轉軌道很大，旋轉過程中反質子會喪失能量，旋轉軌道也慢慢變小，並不斷地放出伽馬射線。 六、儲存反物質。理論上，製造一個比外太空更加空曠的真空，其中施加電場和磁場來限制住反粒子，就可以儲存反物質。只要周圍的電磁鐵能夠一直保證它們不碰到真空管的管壁，同時又沒有與真空管中殘留的氣體原子相遇，它們就會一直存在。目前，科學家們建立了越來越大的儲存環，其中儲存的電子和正電子能量也越來越高。 “潘寧陷阱”之後，歐洲核子研究中心的科學家和工程師團隊最終建起了一個慢化反質子的儲存環，被稱爲“低能反質子環”，簡稱LEAR。技術關鍵是：首先必須創造出高於太陽中心的溫度，用於產生反質子；接着爲了將其儲存在潘寧陷阱中，又必須把溫度冷卻到低於外太空，真空度高於月球表面。利用禁錮的反質子進行的另一項研究是關於是否存在反重力的，但目前仍不知在重力作用下反物質是會落下還是上升。 低能反質子環內部循環的反質子偶爾會接近重元素的原子核。相互擦肩而過的兩個反質子足夠接近時，會產生一對正負電子對，有極小的概率，反質子和正電子會包裹起來形成一個反氫原子。 升級後的裝置叫“反質子減速器”，使用了低能反質子環之前採用的真空機制，這是地球上現有最好的反物質工廠。 “大型正負電子對撞機”在瑞士和法國的邊界上，距地面50米以下，有一條與倫敦地鐵環線長度相當的隧道，其中的磁鐵操控着電子束和正電子束，以完成各種實驗。首先使用電子束轟擊鎢靶，碰撞能量會產生一些正電子和次級電子，並不斷將正電子保存在儲存環中，收集到足夠的正電子後，它們被傳輸給一系列的加速器進行加速，當它們擁有足夠能量後，就被注入正負電子對撞機的主環中。通過觀察構成粒子和反粒子的基本元素是如何從這個模擬的“微型爆炸”中產生的，人們能知道早期的宇宙大爆炸中能量是如何首先轉化成實物的。 經過10年實驗，正負電子對撞機發現了宇宙產生僅十億分之一秒時物質是如何被創造出來的。“微型爆炸”中產生了粒子和反粒子，如電子和正電子，夸克和反夸克。 七、鏡像宇宙。斯達克伯格是提出反粒子可以看成時間逆行粒子觀點的第一人。時間是一種幻覺，牽扯有施加在大量的原子上的概率論，通常當感覺到有序變爲無序時就會直觀地覺得時間流逝了。如果能將時間倒流，會看到行星在軌道上繞着太陽逆行回到過去，而這個景象完全等同於在鏡子中看通常的行星運行。 微觀物體中包含有大量的原子，所以時間的方向準確無疑，但對於原子中單獨的基本粒子而言，時間卻丟失了方向。正電子在正負電子對撞機中逆時針循環而形成的電流，等同於在時間逆向畫面中觀看順時針循環的電子形成的電流，所以，某種角度看來，正電子就像在時間逆行的電子。 三代夸克交織在宇宙中的存在使得物質和反物質能夠產生不對稱，給我們提供了一種方法測試遙遠的星系是由物質還是反物質構成的。物質和反物質間存在不對稱，雖然微小，但確實存在且可測量：通過一種電中性K介子的行爲——當K介子衰變時，會產生一個既非正電亦非負電的介子，同時還有一個單獨的電子或者正電子。如果物質和反物質完美對立，兩種衰變也應該精確匹配，衰變的概率應相同。但實際上，它們存在輕微差異。 在衰變過程中產生的兩種對稱的輕質粒子，出現概率較大的如果和外星人在外星球普通原子中發現的相同，外星球就是反物質的；如果相反，外星球就是物質的。 八、萬事萬物如何存在。雖然反氫原子是現在研究最透徹的“反”物質簇團，但很多理論和實驗都表明所有的原子元素都能以“反”形式存在。用於解釋物質原子穩定性的量子力學定律，同樣適用於解釋反物質原子穩定性。電荷符號反轉，但同性相斥、異性相吸的定律是相同的。 從地球上我們只能看到星光，迄今爲止人類還無法分辨這些光是從元素還是反元素中發出的，所以無法通過觀察星光分辨出恆星和反恆星。 所有跡象表明，發現的反物質都來自於普通物質之間碰撞產生的剎那焰火，比如宇宙射線與大氣間的碰撞。我們周圍數億光年範圍之內的所有東西都是由物質構成的，但還有很多未被探索的宇宙空間，也許在那裏反物質纔是主宰。科學家推論認爲，宇宙產生後馬上就發生了一次大湮滅，而現在的物質宇宙是來自於100億中存活下來的那一個質子，是的，今天所有的一切，都是某個龐然大物消失後剩下的一絲殘片。 中微子是宇宙中最普遍存在的粒子之一，也是最難發現的粒子之一，它不帶電，質量極小，一個電子的質量應該至少相當於一萬個中微子。它沒有內部結構，是一種鬼魅一般的帶自旋的虛無體，以接近光速的速度在宇宙中穿行。自旋是其唯一特性。某些形式的輻射產生了中微子，當原子核內部的質子轉換成中子，變化的能量會物質化生成一個正電子和一箇中微子。過去15年間最頂尖的實驗中，發現中微子只進行左自旋，而反中微子只進行右自旋。一種靠譜理論認爲，除了已知的輕質中微子，還存在一些未被發現的重質的馬約拉納中微子，被人們稱爲“馬約量子”。 大湮滅將反物質以及對應量的物質完全摧毀，只留下一道閃光。馬約量子的後代形成了一個不均衡的宇宙，使得少量夸克保留了下來，反夸克全部消失。倖存者冷卻並形成了由物質主宰的宇宙，其中質子保持穩定，物質按我們所瞭解的方式存在着。這是當今對於物質和反物質不對稱來源的最好解釋。 九、揭祕。 化學反應只能將物質內部能量的十億分之一釋放出來，核反應最大則可以釋放出百分之一，而原則上，反物質可將將整個物質內部的能量全部釋放。但想使用反物質，就得一個粒子一個粒子地製造，過程漫長而低效，結果導致製造反物質所需要的能量比之後湮滅時放出的能量要多。 自1955年首次發現反質子以來，歐洲核子研究中心的低能反質子環及費米實驗室相似的裝置中總共產生的反物質的量還不足百萬分之一克。現在人類最多能儲存100萬個反質子，這個數目聽起來很大，但實際上只有10的18次方分之一克。 所以，根本就沒什麼反物質武器。但美國空軍依然希望開發反物質能源和武器。 丹布朗某本書中將反物質描述爲完美的能源，不會產生任何污染或者輻射，但這只是幻想。反質子減速器可算反物質科學和反氫製造水平上的一個主要的里程碑，可如果想產生出工業級的反物質的量，反質子減速器的作用還微不足道。 本書語言生動且優美，且盡力將晦澀難懂的物理學知識以通俗易懂的語言講出，讓人在增長知識的同時得到愉悅的享受。不可否認的是，雖然反物質及其湮滅有很大的力量，但人類的科技水平仍然不足以運用這種力量，不過誰又能說這不是一件好事呢？ 只是好奇如我，依然想親眼見一見反物質和物質之間的完美碰撞將會發出如何耀眼的光芒。不知有生之年，是否可以滿足這個願望。

對於阿拉這個物理小白來講，本書就是在給反物質技術的闢謠，簡單來說現在反物質很難製造，製造起來也很耗能量，而且儲存技術現今都沒有啥大的進展，故要靠反物質推動航天飛船去火星或者製造武器啥的那都只是科幻小說裏的情節，故別杞人憂天地擔心反物質炸彈毀滅世界啦。 至於書中各種物理概念，公式啥的嘛，阿拉只能吐槽句：貓了個咪的，真是不明覺厲。