神马文学网反物质之路
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反物质的历史开始于1928年，由一位年轻的英国物理学家Dirac和一个数学方程开始。这个方程，从某种程度上来说预言了一个和我们现在的世界相当的但是由反物质构成的反世界的存在。这个世界是否存在呢？如果存在，在哪里可以找到这个世界？
从1930年开始，关于反物质、反粒子的可能形成的搜索就开始了。并且它已经成为在一个主要的科学和技术发展之后70年内主要的影响。
1928：反物质探索的开始
二十世纪的开始是一个令人激动的时代，在这个时代，物理学的大厦由于两个重要的新理论：相对论和量子理论的出现而被动摇。在1905年，爱因斯坦提出了他的特殊相对论，解释了时空的关系，以及用他的著名的质能方程E=mc2表示的能量和质量的关系。同时，实验也揭示出光有时候表现出波的性质，但是其它时候表现的好象小的粒子流。普郎克（Max Planck）提出一种理论，认为光波都是按小份传播的，每一小份就是所谓的“量子”：这种方式的光既不能说是粒子，也不能说是波，而是两者的综合。
到二十世纪二十年代，物理学家们试图把这种概念应用于原子和它的组成物，到二十年代末，Erwin Schrodinger和Werner Heisenberg发展了新的物理学上的量子理论。那时该理论唯一存在的问题是这个理论并不是相对的——这意味着量子只适用于低速的粒子，并不适用于高（或者说相对来说高）速粒子，那些接近于光速的粒子。
在1928年，Paul Dirac解决了这个问题，在尝试将20世纪的两个最重要原理——相对论与量子力学——结合起来的实践中就发现了这一现象，并预言了正电子的存在。而所有这一切则是由Dirac建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。Dirac在对这个方程求解的过程中共得到了4个描述电子内部状态的解，用以说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态可以用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释；但对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解得出了离奇的结论。这就是说，如果一个电子真的能够存在于负能状态，那么它不会因与其他粒子相碰撞而逐渐减速并最终停下来，而是将加速得越来越快，直到它的速度等于光速。但是，从相对论方程的分析中很清楚地知道，这种性质是不可能的。由此，Dirac提出了他著名的假设。
他假设我们平时所谓的真空，其实并不是真空的，而是所有负能级上都有两个电子的一种系统，所以，真空中就应有无穷数目的电子，并且全部负能级都被电子占满了。根据泡利汀容原理，电子不可能跃庭到某个已被占满的负能级，所以它只能留在正能级区听之任之一个能级上。因此只能是处于负能级睥电子受到激发后向正能级跃迁。这种过程正如电子正能级跳跃到负能级上的反过程，只要有能量大于能级的光子激发，是完全可能发生的。如果它发生了，那么这个具有正能量的电子将会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。怎么解释这个空穴呢？举个例子，若我们手上系着几个充满氢气的气球，就会感觉到手上有一个向上拉的力，如果突然有一个气球的引线断了，我们将感觉到向上拉的力减少了，但我们也可以解释为多了一个向下拉的力。同样，在负能级状态少一个电子的空穴行为就像在那儿产生了一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子正是我们所谈的正电子。这样，人类便第一次从理论上预言了反粒子的存在。
他写下了一个方程，这个方程结合了量子理论和特殊相对论，描述了电子的行为。Dirac的方程替他赢得了1933年的诺贝尔奖，但是又引发了另一个问题：正如方程x2=4有两个不同的解（x=2或x=-2）一样，Dirac的方程也可能有两个解，一个是带有正能量的电子，一个是带有负能量的电子。但是在古典物理学（按照常识）当中，粒子的能量必须是正的。
对这个问题的解释意味着每种粒子存在它们的反粒子，除了电荷相反以外其它方面都和粒子一致。对电子来说，应该有反电子的存在，其它都和电子一致，但是带有一个正电荷。并且在Dirac的诺贝尔奖的演讲中，他提出了存在由反物质构成的宇宙这个问题。
1930：自然伸出帮助之手
从1930年开始，搜索神秘的反粒子的工作就开始了。在上个世纪早期，Victor Hess（1936年的诺贝尔奖得主）发现了一个高能粒子的天然源：宇宙射线。宇宙射线是来自于外太空的能量非常高的粒子，当它们撞击地球大气的时候，它们产生了巨大的低能粒子流，已经证明这些粒子流对物理学家非常有价值。
1932年，Carl Anderson，加利福尼亚工学院一位年轻的教授在云室中研究宇宙粒子流的时候看到了“一些带有正电荷，而质量和电子相同”的粒子的轨迹。在将近一年的努力观察后，他断定这些轨迹实际上是反电子，是在云室中的宇宙射线的影响下随着电子产生的。他把这种反电子叫做正电子，因为它带有正电荷。在被Occhialini和Blackett肯定之后，这一发现很快就使得Anderson获得了1936年的诺贝尔奖，并且证明了被Dirac预言的反粒子的存在。
随后的许多年，宇宙射线一直是高能粒子的唯一源。反质子是反粒子的下一个发现，但是发现反质子（质子的反部分，比正电子重很多）科学家们又等了二十二年。
1954：强大的工具
反质子的研究在二十世纪三十年代和四十年代很热门，因为实验室的实验可以达到很高的能量。
在1930年，Ernest Lawrence（1939年的诺贝尔奖获得者）发明了回旋加速器。这个机器可以把粒子如质子加速到几十兆电子伏特。随着反质子的发现，加速器时代开始了，而且新科学“高能物理”也诞生了。
在1954年，在伯克利建立了质子加速器，（在那个时代叫做B电子伏特，现在叫做G电子伏特）。质子加速器能让两个质子在6.2Gev互相撞击，6.2Gev被认为是产生反质子的最适合能量。同时，由Emilio Segre带领的一队物理学家设计制造了一个特殊反质子探测器观察反质子。
在1955年十月《纽约时报》的头版刊登了这个新闻“发现新的原子粒子：称为反质子”。随着反质子的发现，Segre和他的工作组已经找到了一个在物质和反物质之间本质上存在对称性的证据。
Segre和Chamberlain因此获得1959年的诺贝尔奖。仅仅一年以后，利用质子加速器(B.Cork，O.Piccione，W.Wenzel和G.Lambertson)工作的第二队工作人员宣布了反中子的发现。
1965：反核子
到现在，所有的组成原子的三种基本粒子（电子、质子和中子）都有相应的反粒子发现。所以，如果原子中的粒子是物质的基本单元，那么很自然的想到组成反原子的反粒子是反物质的基本单元。
但是物质和反物质确切是相反还是相等，或者是对称的，是象Dirac所暗示的那样吗？随后重要的一步是证明对称性。物理学家们想知道：当反粒子相遇时会出现什么情况呢？反质子和反中子能结合在一起形成反核子吗，就象质子和中子结合在一起形成原子核一样？
反核子问题在1965年伴随着反氘核——由反质子加一个反中子（而氘核，氘原子的核子是由质子加一个中子组成）组成的反物质核子——的发现被回答。这个发现同时由两队物理学家获得，一队由Antonino Zichichi带领，使用CERN的质子同步加速器，另一队由Leon Lederman带领，使用纽约Brookhaven National实验室的交替倾斜同步加速器（AGS）。
1995：从反粒子到反物质
在制出反核子之后，随后的问题自然是：反电子和反核子结合能形成反原子吗？
实际上，这个问题的答案最近才被发现，这要归功于一个特殊的机器，CERN的独一无二的低能反质子环（LEAR）。相对于加速器来说，LEAR实际上降低了反质子的速度。然后物理学家就能尝试着把正电子和反质子结合，制造了一个反氢原子，一个真正的反物质原子。
到1995年底，第一个反原子由CERN的一队德国和意大利物理学家制造成功。尽管仅仅制造了9个反原子，但是这个新闻是如此的振奋人心，以致于它成为世界上许多报纸的头版。
这个成就表示着反氢原子在反世界的研究中起了很重要的作用。氢组成了四分之三的宇宙，大部分的已知宇宙是通过研究原始氢被发现的。
但是，反氢原子和氢原子的行为一样吗？要回答这个问题，CERN决定建造一个新的实验设备：反质子加速器（AD）。
反物质的历史开始于1928年，由一位年轻的英国物理学家Dirac和一个数学方程开始。这个方程，从某种程度上来说预言了一个和我们现在的世界相当的但是由反物质构成的反世界的存在。这个世界是否存在呢？如果存在，在哪里可以找到这个世界？
从1930年开始，关于反物质、反粒子的可能形成的搜索就开始了。并且它已经成为在一个主要的科学和技术发展之后70年内主要的影响。
1928：反物质探索的开始
二十世纪的开始是一个令人激动的时代，在这个时代，物理学的大厦由于两个重要的新理论：相对论和量子理论的出现而被动摇。在1905年，爱因斯坦提出了他的特殊相对论，解释了时空的关系，以及用他的著名的质能方程E=mc2表示的能量和质量的关系。同时，实验也揭示出光有时候表现出波的性质，但是其它时候表现的好象小的粒子流。普郎克（Max Planck）提出一种理论，认为光波都是按小份传播的，每一小份就是所谓的“量子”：这种方式的光既不能说是粒子，也不能说是波，而是两者的综合。
到二十世纪二十年代，物理学家们试图把这种概念应用于原子和它的组成物，到二十年代末，Erwin Schrodinger和Werner Heisenberg发展了新的物理学上的量子理论。那时该理论唯一存在的问题是这个理论并不是相对的——这意味着量子只适用于低速的粒子，并不适用于高（或者说相对来说高）速粒子，那些接近于光速的粒子。
在1928年，Paul Dirac解决了这个问题，在尝试将20世纪的两个最重要原理——相对论与量子力学——结合起来的实践中就发现了这一现象，并预言了正电子的存在。而所有这一切则是由Dirac建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。Dirac在对这个方程求解的过程中共得到了4个描述电子内部状态的解，用以说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态可以用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释；但对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解得出了离奇的结论。这就是说，如果一个电子真的能够存在于负能状态，那么它不会因与其他粒子相碰撞而逐渐减速并最终停下来，而是将加速得越来越快，直到它的速度等于光速。但是，从相对论方程的分析中很清楚地知道，这种性质是不可能的。由此，Dirac提出了他著名的假设。
他假设我们平时所谓的真空，其实并不是真空的，而是所有负能级上都有两个电子的一种系统，所以，真空中就应有无穷数目的电子，并且全部负能级都被电子占满了。根据泡利汀容原理，电子不可能跃庭到某个已被占满的负能级，所以它只能留在正能级区听之任之一个能级上。因此只能是处于负能级睥电子受到激发后向正能级跃迁。这种过程正如电子正能级跳跃到负能级上的反过程，只要有能量大于能级的光子激发，是完全可能发生的。如果它发生了，那么这个具有正能量的电子将会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。怎么解释这个空穴呢？举个例子，若我们手上系着几个充满氢气的气球，就会感觉到手上有一个向上拉的力，如果突然有一个气球的引线断了，我们将感觉到向上拉的力减少了，但我们也可以解释为多了一个向下拉的力。同样，在负能级状态少一个电子的空穴行为就像在那儿产生了一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子正是我们所谈的正电子。这样，人类便第一次从理论上预言了反粒子的存在。
他写下了一个方程，这个方程结合了量子理论和特殊相对论，描述了电子的行为。Dirac的方程替他赢得了1933年的诺贝尔奖，但是又引发了另一个问题：正如方程x2=4有两个不同的解（x=2或x=-2）一样，Dirac的方程也可能有两个解，一个是带有正能量的电子，一个是带有负能量的电子。但是在古典物理学（按照常识）当中，粒子的能量必须是正的。
对这个问题的解释意味着每种粒子存在它们的反粒子，除了电荷相反以外其它方面都和粒子一致。对电子来说，应该有反电子的存在，其它都和电子一致，但是带有一个正电荷。并且在Dirac的诺贝尔奖的演讲中，他提出了存在由反物质构成的宇宙这个问题。
1930：自然伸出帮助之手
从1930年开始，搜索神秘的反粒子的工作就开始了。在上个世纪早期，Victor Hess（1936年的诺贝尔奖得主）发现了一个高能粒子的天然源：宇宙射线。宇宙射线是来自于外太空的能量非常高的粒子，当它们撞击地球大气的时候，它们产生了巨大的低能粒子流，已经证明这些粒子流对物理学家非常有价值。
1932年，Carl Anderson，加利福尼亚工学院一位年轻的教授在云室中研究宇宙粒子流的时候看到了“一些带有正电荷，而质量和电子相同”的粒子的轨迹。在将近一年的努力观察后，他断定这些轨迹实际上是反电子，是在云室中的宇宙射线的影响下随着电子产生的。他把这种反电子叫做正电子，因为它带有正电荷。在被Occhialini和Blackett肯定之后，这一发现很快就使得Anderson获得了1936年的诺贝尔奖，并且证明了被Dirac预言的反粒子的存在。
随后的许多年，宇宙射线一直是高能粒子的唯一源。反质子是反粒子的下一个发现，但是发现反质子（质子的反部分，比正电子重很多）科学家们又等了二十二年。
1954：强大的工具
反质子的研究在二十世纪三十年代和四十年代很热门，因为实验室的实验可以达到很高的能量。
在1930年，Ernest Lawrence（1939年的诺贝尔奖获得者）发明了回旋加速器。这个机器可以把粒子如质子加速到几十兆电子伏特。随着反质子的发现，加速器时代开始了，而且新科学“高能物理”也诞生了。
在1954年，在伯克利建立了质子加速器，（在那个时代叫做B电子伏特，现在叫做G电子伏特）。质子加速器能让两个质子在6.2Gev互相撞击，6.2Gev被认为是产生反质子的最适合能量。同时，由Emilio Segre带领的一队物理学家设计制造了一个特殊反质子探测器观察反质子。
在1955年十月《纽约时报》的头版刊登了这个新闻“发现新的原子粒子：称为反质子”。随着反质子的发现，Segre和他的工作组已经找到了一个在物质和反物质之间本质上存在对称性的证据。
Segre和Chamberlain因此获得1959年的诺贝尔奖。仅仅一年以后，利用质子加速器(B.Cork，O.Piccione，W.Wenzel和G.Lambertson)工作的第二队工作人员宣布了反中子的发现。
1965：反核子
到现在，所有的组成原子的三种基本粒子（电子、质子和中子）都有相应的反粒子发现。所以，如果原子中的粒子是物质的基本单元，那么很自然的想到组成反原子的反粒子是反物质的基本单元。
但是物质和反物质确切是相反还是相等，或者是对称的，是象Dirac所暗示的那样吗？随后重要的一步是证明对称性。物理学家们想知道：当反粒子相遇时会出现什么情况呢？反质子和反中子能结合在一起形成反核子吗，就象质子和中子结合在一起形成原子核一样？
反核子问题在1965年伴随着反氘核——由反质子加一个反中子（而氘核，氘原子的核子是由质子加一个中子组成）组成的反物质核子——的发现被回答。这个发现同时由两队物理学家获得，一队由Antonino Zichichi带领，使用CERN的质子同步加速器，另一队由Leon Lederman带领，使用纽约Brookhaven National实验室的交替倾斜同步加速器（AGS）。
1995：从反粒子到反物质
在制出反核子之后，随后的问题自然是：反电子和反核子结合能形成反原子吗？
实际上，这个问题的答案最近才被发现，这要归功于一个特殊的机器，CERN的独一无二的低能反质子环（LEAR）。相对于加速器来说，LEAR实际上降低了反质子的速度。然后物理学家就能尝试着把正电子和反质子结合，制造了一个反氢原子，一个真正的反物质原子。
到1995年底，第一个反原子由CERN的一队德国和意大利物理学家制造成功。尽管仅仅制造了9个反原子，但是这个新闻是如此的振奋人心，以致于它成为世界上许多报纸的头版。
这个成就表示着反氢原子在反世界的研究中起了很重要的作用。氢组成了四分之三的宇宙，大部分的已知宇宙是通过研究原始氢被发现的。
但是，反氢原子和氢原子的行为一样吗？要回答这个问题，CERN决定建造一个新的实验设备：反质子加速器（AD）。