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什麼是反粒子?

二十世紀物理學最重要的成就之一,就是認知宇宙中所有的物質都是由一些基本粒子組成的。除了上述各式基本粒子外,還有一些基本粒子,它們可以說是上述粒子的「孿生姊妹」。
 
 
 
二十世紀物理學最重要的成就之一,就是認知宇宙中所有的物質都是由一些基本粒子組成的,這些基本粒子包括大家常聽到的電子、光子、夸克(夸克還分很多種類,如上夸克、下夸克等),以及或許比較陌生的微中子、緲子、W玻色子、Z玻色子、膠子等。

這些基本粒子有些帶有電荷,如電子、緲子、夸克、W玻色子,有些則不帶電荷,如光子、微中子、Z 玻色子;有些帶有色荷(color charge),如夸克、膠子,有些則不帶色荷,如電子。有些帶有弱荷(weak charge),如電子、W玻色子,有些則不帶弱荷,如光子、膠子。有些是費米子(fermion),帶有二分之一單位的自旋角動量(一單位自旋角動量等於普朗克常數除以2π即h/2π),如電子、夸克,有些是玻色子(boson),帶有一單位的自旋角動量,如光子、膠子。

除了上述各式基本粒子外,還有一些基本粒子因為它們可以說是上述粒子的「孿生姊妹」,所以有時候在表列基本粒子的時候,並不額外明列出來,這些粒子就是所謂的「反粒子(anti-particle)」。例如正子(positron)是電子的反粒子,反微中子是微中子的反粒子,反上夸克是上夸克的反粒子等。有時粒子與反粒子是同一個粒子,例如光子就是自己的反粒子。

為甚麼說反粒子是粒子的孿生姊妹?因為兩者的物理性質有密切關係。例如正子與電子有相同的質量,所帶的任何「荷」大小相等、符號相反(如正子帶正電,電子帶負電),而且都是自旋角動量為二分之一個單位的費米子。當正子與電子碰在一起的時候,兩者會相互消滅變成光子。其他對的粒子與反粒子的關係也類似如此,譬如反上夸克與上夸克的質量相等、電荷相反等等。

因為粒子與反粒子有這麼密切的孿生關係,我們可能會猜兩者在宇宙中占有相同的分量,也就是說例如宇宙中正子與電子的數目相等。然而事實並非如此–宇宙中粒子的數目遠大於反粒子的數目,亦即對於宇宙而言,粒子與反粒子並不是對稱的。目前物理學的大目標之一就是要了解這個不對稱的由來。

反粒子的身世相當曲折有趣–故事是這樣的:英國物理學家狄拉克(P.A.M. Dirac, 1902-1984)在一九二八年提出符合相對論要求的電子方程式(今天稱為狄拉克方程式),這方程式非常成功–狄拉克可以從中推導出所有已知的電子性質,但卻有一項致命缺點:它有負能量的解(量子狀態)。這些解似乎沒有物理意義,但是我們卻又不能隨便地拋棄它們,因為那會引來數學矛盾。

狄拉克在苦思之後,於一九三○年提出非常大膽的解決方案–他說具有負能量的量子狀態的確存在,但是它們已經被電子占據了,而又因為電子遵循不相容原理,所以其他電子無法進駐這些帶負能量的量子態,因此在一般狀況下,這些負能量態沒有任何作用。但是一旦某個負能量態「空」了出來,它的行為就會是像一個帶正電的粒子。

原先狄拉克以為原子核裡帶正電的質子就是這種粒子,隨後馬上有人指出這個觀點有問題。後來他才修正自己的看法,認為這個「空洞」其實是一種新粒子,也就是前面提到的正子。不久之後,安德森(Carl Anderson, 1905-1991)就在實驗室裡發現了正子,證實了狄拉克的理論。

狄拉克正確的預測可以說是理論物理最高的成就之一。現在我們已經了解,反粒子是量子力學與相對論結合後不可避免的結果,所以不只是電子有反粒子,所有粒子都有其反粒子。
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