反物质与黑洞

这年头呀，但凡是看过点科幻，都知道反物质这个词，反物质就是由反粒子组成的物质，而反粒子的存在，已经不是一个科学幻想，而是被实实在在证明了的事情，当然，他们在宇宙中存在的时间都非常短，几乎是才产生就湮灭了，那么，科学家又是怎么发现反粒子的呢？

这个我们就必须从爱因斯坦的质能方程说起，这个鼎鼎有名的方程最广为人知的形式是 E=mc²，但是你要知道，爱因斯坦老师并不是一拍脑袋就搞出来这个方程的，它的由来自有其一套推导过程，所以事实上这个方程还有一个完整的形式，就是:

E² =(mc²)² +p²c²

这里p是动量，为什么会有这一块呢，因为运动物体存在相对论效应，不但会引起时间的变化，也会引起质量的变化，既然有质量的改变，自然就会有相应的动量的改变了——这就是为什么会有加号后面部分的原因。但是当我们计算一个物体的静能量时，p是等于0的，所以这个方程就成了：

E² =(mc²)²

两边开方后，就是我们熟悉的样子。但是，我们在高中时都学过，开平方会有两个根，一个正一个负，所以上式开平方也应该有 E =mc² 和 E=-mc²两种形式。在上世纪20年代，大多数的物理学家都把-mc²当作是一个无意义的解直接舍弃掉，但是天才的狄拉克老师并没有这么做，他意识到这个解可能意味着存在负能量！然后他发展了这个思想，认为电子的轨道存在负的能级，我们都知道电子填满能级的规律是先填满能量低的能级，而负能级无疑比任何一个正能级的能量都低，所以如果负能级存在，这些能级也必然全部都已经被电子所填满！不过，这些填满负能级的电子同样可能跃迁到别的能级，当他们跃迁到正能级时，在负能级上就出现了一个坑，因为失去了一个负电荷，那么这个坑就为正电荷，这就是电子的反粒子——正电子。可惜的是，狄拉克老师并没有走得更远，他虽然明明已经能够预言正电子的存在，但是他还是过于小心的认为这个是质子，这也不能怪他，毕竟正电子这玩意儿实在太离经叛道了。后来，科学家们在对宇宙射线的观察的时候发现了有粒子在磁场中的偏转量和电子完全相同但是方向相反，这才确认了正电子的存在。

负粒子理论指出了其实真空并不是空的，而是一个能量之海，随时都生出一对正反的粒子然后湮灭，我们称为量子涨落。这也符合测不准原理，因为测不准原理除了告诉我们无法同时测准位置与动量以外，也告诉我们无法同时测准时间和能量——这在能量之海里得到了极好的印证，如果测一个比较不精确的时间段，能量之海的涨落因为正负湮灭，则会得到一个相对准确的能量;但是如果测量一个精确的时间点，由于量子涨落是随机的，那么能量就很难确定。

量子涨落的理论后来又解释了另外一个重大的问题，那就是黑洞的信息到哪里去了？因为黑洞的引力太大连光都无法逃逸，那么那些信息一旦被黑洞吞噬，就永远消失于黑洞中了，这违悖了信息守恒。对此最令人信服的解释就是，因为在黑洞的周边的真空里不停的进行着量子的涨落，那么产生的正负两个粒子，可能会因为黑洞的引力，其中一个掉入黑洞，而另一个没有，那么这就相当于黑洞在向外辐射出粒子，根据能量守恒，黑洞在向外辐射粒子，黑洞本身的能量就会减少，久而久之，黑洞就会完全蒸发，然后，会把那些信息还给宇宙，导致信息守恒——这也是为什么我们很少观察到微黑洞的原因，因为在宇宙形成后的漫长岁月里，这些微黑洞都蒸发了。

这个理论的提出者就是大名鼎鼎的史蒂夫霍金老师，这个过程也被称为霍金辐射。

反粒子的存在导致了一些迷人的科学幻想，比如，我们是否能够驾驭反物质，在三体里，就出现了反物质子弹，如果这个能够造出来那也是相当牛逼的，因为如果正反物质湮灭，那么正反物质的静能量 mc²就会全部释放出来，你想想原子弹之所以有这么大的威力，就是因为其释放了部分静能量，而反物质可以释放全部的静能量，那是多么可怕。当然，如果用来发电，画面太美不敢想。

还有科幻迷和科学家甚至还设想，这个宇宙的某处，会不会存在一个地方，几乎充满了反物质，当我们没有找到这个地方，我们永远不能否认它，不过，因为这需要引入更多的假设，来解释反物质为什么会和物质泾渭分明的存在于宇宙之中，来解释反物质和物质在宇宙形成之初又是怎么各自幸存下来的，根据奥卡姆剃刀原则，它就不如“宇宙形成初期物质多于反物质，在湮灭以后残留的物质形成了现在的宇宙，宇宙是物质的并不存在稳定的反物质”这个假设来得简单。不过这里又有新的疑问，为什么宇宙形成初期，物质和反物质，不是对称的呢？

这，是又一个科学上的未解之谜。