我把《从大跃进体到吓尿体》一文放到博客上以后，收到了不少热心的网友和同学的意见，对于我否认反物质的存在表示担心，唯恐我立言不慎伤了自己。他们天天用正负电子湮灭做固体物理实验和临床诊断，认为这应该是毫无疑问的事情。如果正负电子湮灭不存在，那我们的固体物理实验结果岂不是都有问题？我们的医疗临床诊断岂不是要出人命？这里的关键是，无论实验固体物理也好，医疗诊断也好，测量的都是能量为511 keV的伽玛光子， 而不是正电子。把这些伽玛光子解释为由正负电子的湮灭而产生的是一种理论假设。否认湮灭现象只是否认这一理论解释，并不否认实验结果，也不会造成医疗事故。你尽可以继续用你的诊断仪器扫描，绝对不会出人命。你测到的伽玛射线是真实的，但是，认为这些伽玛射线来自正负电子对的湮灭是一种理论信仰，不是实验事实。

物理学界的现状是，反粒子反物质及其创生和湮灭的概念已经为大多数人接受，认为是毫无疑问的事实。比较前卫的理论家或思想家们甚至大谈什么反银河系和反宇宙与我们的银河系和宇宙的碰撞和湮灭，为“世界末日”编织“科学”证据。这些概念通过媒体向广大民众宣传，经常传出一些惊人的头条新闻，比如观察到宇宙中正反物质湮灭的巨大伽玛射线风暴，比如美国正在研究用反粒子推进器实现星际航行，比如中国已经研制成功反物质武器足以毁灭全人类，等等。我感觉到有必要写一篇文章比较详细的介绍一下反粒子和反物质及其创生和湮灭的概念的历史由来，理论基础和实验证据。

 一） 创生和湮灭是反粒子和反物质最本质的内涵

首先我们必须搞清楚反粒子和反物质的定义。定义不清，就不知道我们到底在赞成什么，反对什么，因此争论就会各说各话，牛头不对马嘴。所谓反物质，正统的定义是由反粒子组成的物质。因此关键在反粒子的定义。一般教科书对反粒子的定义是“和正粒子质量相同但是其他荷（比如电荷）都和正粒子相反的粒子”。这个定义过于简单，没有包括反粒子最本质的内涵：正反粒子相遇会湮灭成纯能量（总质量等于零），产生伽玛光子或中微子。另一方面，质量为零但具有足够能量的伽玛光子可以产生质量不为零的一对正反粒子。教科书中一般不把正反粒子对的产生和湮灭放在反粒子的定义中，而说成是反粒子的特性。这种说法有两个好处，一是把最不容易为人们接受的内涵放在定义之外，将人们的注意力引到电荷和其他量子数的对称性上面；二是把创生和湮灭说成是“特性”，给人一种“客观存在”而不是理论假设的感觉。为什么说正反粒子的创生和湮灭是反粒子定义中最本质的内涵呢？因为这个内涵混淆了质量与能量的概念，并且最终导致创造论。如果没有正反粒子的创生和湮灭，仅仅根据质量与量子数的对称性将一对粒子说成是正反粒子，我们大可不必太在意，我也不会起劲地反对。许多量子数不过是编排河图洛书时构架选择定则的手段。但是一旦加入创生和湮灭的内涵或“特性”，反粒子的概念就不仅仅是构架选择定则的手段，而是科学和神学之间毫无妥协的必须争论清楚的本质问题。我反对的是能够被无质量的光子创生又能与正粒子互相湮灭的反粒子概念。所以，如果你问我是不是相信正电子（positron）的存在, 我的回答是，我倾向于相信（暂时还没有确信）一种和电子质量相等但电荷相反的粒子的存在，但是不相信一种能湮灭电子的粒子的存在，不管这种粒子质量和电荷是多少。这就是为什么创生和湮灭是所谓的反粒子和反物质的最本质的内涵。

主流理论物理理论中也允许某种中性粒子（比如光子）同时又是自身的反粒子。当然，同时充当正反粒子的脚色是不可以自己湮灭自己的，所以这些粒子不是我们这篇文章所关心的。我们的讨论主要聚焦在正反粒子的创生与湮灭上。让我们先从历史谈起。因为正电子是反粒子的最“真实”的代表和明星，主流物理学界能够谈论的所有产生与湮灭的“实验证据”都与正电子有关，所以我们会比较多地讨论正电子。

 二） 反粒子和反物质概念的缘起

最早提出反物质概念的是 William Hicks。他于1880年提出某种具有负引力（斥力）的“负物质（negative matter）”的理论。这种理论当然被历史抛弃了。稍候，Karl Pearson 提出以太中可能有“喷泉（squirt）和漏（sink）” [1] 。Squirt 代表正物质，Sink 代表反物质。这些以太物质从哪里喷出来，又漏到哪里去呢？当然是第四维空间。所以，爱因斯坦和现代弦论学家们并不是高维空间的始作俑者。古代玄学中一切凡间不可思议的东西都可以搁到天堂里面，现代的一切凡间不可思议的东西都可以搁到高维空间里面。这些早期的反物质概念和现代主流物理中的反物质概念的基本差别是：十九世纪的理论家们认为正负物质之间的引力是负的，而二十世纪的理论家们认为正反物质的质量相等，它们之间的相互作用仍然是万有引力。

 三） 狄拉克的理论假设

现代反物质概念的奠基者是狄拉克。1928年他提出了一个相对论量子力学方程，以旋量表示波函数，得到一个一阶微分方程组 [2]。  狄拉克方程的解得出的电子能量的平方是一个正数，其平方根既可以是正数也可以是负数。于是狄拉克便预言存在一种能量为负的电子。这直接违背爱因斯坦的质能关系。狄拉克理论的基础就是爱因斯坦的相对论质能关系式，和质能关系式直接冲突就是挖自己理论的墙角，是根本的不自洽。这是狄拉克理论的严重问题。

但是狄拉克理论收获了一个令理论界惊喜的结果，那就是找到了电子的自旋为二分之一的理论解释。自旋概念的实验根据是齐曼效应。齐曼将一束电子通过强磁场，结果被分为两束。这种现象被解释为由于电子本身的旋转所致。自旋向上和向下的两种状态被磁场分开了。根据量子力学的角动量理论，如果某一粒子的角量子数是S，它就可以处于2S+1个不同的角量子态。因为齐曼效应显示电子可以有两种量子态，如果这两种量子态是由电子的自旋决定的，那么S 必须等于二分之一。而今狄拉克的理论得出了电子自旋等于一的结果，被看成是一个了不起的理论突破。狄拉克因此获得了诺贝尔物理奖。

这里要顺便说明一下：虽然电子自旋的概念在历史上和齐曼实验有关系，但是在理论上“自旋”和粒子的旋转毫无关系。它只是一个抽象的量子数，或者说是一个额外的自由度，是另一维空间，其定义由量子场论中的对易关系（或反对易关系）决定。根据量子场论，光子的自旋等于1，有三个自旋状态。你不妨将一束光线通过强磁场，看看他会不会被分成三束光。所以，用齐曼效应说明电子的自旋，只是量子力学教科书为了将自选概念灌入学生的脑子的比较直观的工具，不是自旋的一般定义。

狄拉克对电子自旋的理论解释并不能遮掩负能量问题的致命困难。负能量除了与经典物理和相对论相矛盾以外，从量子力学的角度看也有问题。根据量子力学，电子会从高能量状态自动跃迁到低能量状态。如果存在负能量的电子，那正能量的电子就应该自发地跃迁到负能状态而不停地辐射光子。可是我们从来没有观测到这种辐射。为了回应这一困难，狄拉克于1929年写了一篇文章，试图对他的方程式的负能量解作出某种解释 [3]。他说：“一个带负能量的电子在外电场中的运动就像他带了正电荷。”他坚持说整个空间可以被看成是一个所有负能状态都已经被占满了的“负能电子海”，因此不会有从正能量状态下来的跃迁。用追加假定来“解释”现有困难是理论界的一贯做法。狄拉克还考虑了质子是这负能电子海中的孤岛也就是负能量电子的可能性。但是奥本海默（二战中领导美国原子弹研究的科学负责人）坚决反对这种理论。他说，如果质子是负能量电子，那氢原子就会自我毁灭。于是狄拉克又于1931年著文预言某种有待发现的，与电子质量相等并能够与电子湮灭的“反电子”的存在 [4]。这就是正电子和反粒子概念的开端。

据狄拉克说，负能电子海里的电子也可能溢出海面而成为自由电子，在海里面留下一个带正电的空穴，这是对反电子的另一种解释。空穴概念后来用在半导体物理里，成为研究P-N结的标准语言。因为狄拉克不接受量子场论，说重整化“在数学上是丑陋的”，近年来有些粒子物理学者开始贬抑（down play）狄拉克的作用和权威。比如弱电统一标准模型的发明者之一温伯格教授就说：“量子场论的发展使得反粒子的空穴解释没有必要，尽管它还出现在许多教科书中。”

因为狄拉克的理论对电子自旋为二分之一作出了理论解释而获得诺贝尔奖，人们认为狄拉克的理论是里程碑性的工作，所以对于他的负能电子海和反电子的理论不仅没有怀疑追究，反而有越来越多的人认为这是狄拉克的伟大预言。狄拉克的旋量成为了量子场论中描述电子的标准波函数。量子场论理论家斯图克尔伯格（Stueckelberg）和费曼（Feynman）根据量子场论对狄拉克的正电子提出了更新的解释。他们说，正电子和负电子都是电子，只不过世界线不同而已：如果电子在时间轴上反向运动（向过去而不是向未来运动），就是正电子（positron）[5]。日本理论家南部将费曼的概念推广到所有的正反粒子对的创生与湮灭。他说：“正反粒子对的创生和湮灭并不是创生和湮灭，只是运动方向的不同，或者从过去走向未来，或者从未来走向过去。”[6] 这种把反粒子看成向过去运动的正粒子的概念已经被主流物理学界普遍接受为正统教义。欧洲核子研究中心和北京高能物理研究所都有正负电子对撞机。他们的负电子和高能所的工作人员都是正物质，都从对撞机交付使用之日起运动到了2017年。不知道对撞机里的正电子是不是沿着理论家们的世界线反向运动到了文化大革命的火红岁月？如果这些正电子沿着反向时间轴运动到了文化革命之中，他们怎么和2017年处于改革开放时空中的负电子对撞呢？他们怎么能够在对撞机建成之前就存在呢？如果在对撞机存在之前反粒子（正电子）就能存在，那为什么还要花钱去建造对撞机呢？行文至此，我不由得哀叹自己不过是三维空间中一只可怜的哺乳动物，没法理解高维空间的理论家们神的逻辑和仙的思维。

有了“反电子”，“反质子”的概念以后，反粒子的概念就像一股旋风立即吹遍了学术界。1929年，Charles Janet 前瞻性地提出了一个完整的反物质的元素周期表 [7]。

小结一下：因为狄拉克的旋量方程得出了电子的自旋为二分之一，所以负能量问题也就连套被理论界接受了，还因此衍生出反粒子的预言。随着狄拉克的获奖，坐进牛顿曾经坐过的留卡欣交椅，成了权威，这些曾经的问题也就已经不成为问题了，而是随着多年来千万遍的重复变成了真理。有一位哲人曾经说过，人们崇拜金钱，因而也就崇拜金钱的所有者。人们崇拜奖金，也就崇拜奖金的获得者以及他的理论和观点。“崇拜”者，盲目迷信之谓也。

 四） 安德逊实验

有了伟大的理论预言，接下来就是找实验证据了。1929年，D. Skolbeltsyn 用威尔逊云室探测宇宙射线中的伽玛射线，发现有的粒子像电子（径迹半径差不多），但是在磁场中的偏转方向与电子的相反。同一年，加州理工学院的一位研究生赵忠尧也观察到一些不寻常的有点像电子的粒子，只是带正电。这些观察都没有形成结论。他们也没有将研究继续下去。 Frederic 和 Irene Joliot-Curie 在巴黎也拍到了一些照片可以作为正电子的证据，但是他们认为那是质子 [8]。

1932年，赵忠尧的同学安德逊（Carl David Anderson）用云室观察宇宙线，发现有一个粒子在磁场中的偏转轨迹和电子的一样，但是偏转方向与电子的偏转方向相反，说明这种粒子带的是正电荷。他用一块厚6mm的铅板将云室上下两部分分开，然后根据质子穿过铅板的寿命排除了这种带正电荷的粒子是质子的可能性，所以应该是某种不一样的带正电的粒子。安德逊将文稿投送到Physical Review杂志去发表时并没有说是正电子（他不能确定）。Physical Review的主编建议他宣称是正电子（positron），安德逊接受了主编的建议。所以安德逊成了第一个宣称以实验发现了正电子的科学家。同一年（1932），卡文迪实验室的Patrick Blacket 和Giuseppe Occhialini也观察到了类似的粒子。但是他们觉得证据不足，试图获得更为可靠的证据而推迟了发表他们的结果，因此安德逊成了第一个“实验发现正电子”的物理学家，于1936年获得诺贝尔物理奖。安德逊后来回忆，他的实验是受了赵忠尧的启发。瑞典皇家学会认真考虑过授予赵忠尧诺贝尔奖，但是由于一位在德国工作的物理学家对赵忠尧的成果提出了疑问，影响了赵忠尧的成果被进一步确认，错过了诺贝尔奖。所有这些都说明，1932年的所谓发现正电子，其实是很不确定的，而是多少受到理论预言的诱导的结果。

为什么正电子的发现如此难于确定呢？光从这些历史故事还不太容易了解个中原委。我们必须谈谈理论方面的原因。实验上能观察测量的是带电粒子的轨迹的方向和半径。轨迹方向可以明白无误地告诉电荷的正负，但是轨迹的半径却不能告诉粒子的电荷与质量。因为轨迹的半径等于粒子的动量（质量与速度的乘积）除以电荷与磁场强度的乘积，也就是r = mv/(qB)。磁场强度B是实验者设定的已知数，剩下三个未知数m, v, q不可能从一个半径r 的数值决定。在普通的质谱仪中，送进质谱仪的粒子通常都控制在一个基本电荷，这可以通过控制粒子的产生时的电离电压做到。这样电荷就是已知的了。速度v可以用一个速度选择器决定。速度选择器就是一个电场和磁场交叉成90度的简单装置。只有当带电粒子的速度等于电场强度和磁场强度（不是质谱仪的磁场）的比值才能通过，而且和带电粒子的电荷毫无关系。这样剩下的只有一个未知数m，质量。在磁场已知的条件下，质量和半径r成正比。如果半径固定，质量就和磁场强度成正比。这就是质谱仪的工作原理，一般普通物理教科书中都有叙述。

这里还有一个问题，就是“一个基本电荷”到底是多少？这也必须用独立的实验决定。电子的基本电荷是通过密立根油滴实验独立决定的。而“正电子”的电荷从来就没有独立的实验测量。

至此，我们应该可以理解为什么1929-1932年的物理学家们对于他们观测到的粒子到底是不是质量等于电子质量但是带一个基本正电荷的正电子没有把握。如果你猛然看到一个轨迹和电子轨迹基本对称，很容易联想到一个物理特性和电子对称的粒子，于是很容易猜想甚至武断，这就是狄拉克预言的正电子！其实，半径对称并不能够立即得出结论说所有其他物理特性都对称。且不说粒子的电荷数未知，即使假定粒子电荷是一个正电荷，也只能得出结论说它的动量（质量与速度的乘积）正好和电子的动量相等。一个比电子重1840倍但是速度小同样倍数的质子的轨迹半径应该和电子轨迹一样。而当时观察宇宙射线的时候，根本就没有用速度选择器对进入云室的粒子的速度进行测量。至于动量相等，是并不奇怪的事情。如果一个差不多静止的中型原子分裂成两个粒子，它们的动量必定大小相等，方向相反。何况，对电荷的认定也是相当地主观，没有独立实验测量。事实上，阿尔法粒子（氦核）就带两个正电荷，质子带一个正电荷，还可以有其他离子。这就是为什么连安德逊开始投稿的时候都没有说是找到了positron。

在安德逊以后还有其他人更新的测量。虽然有些改进，但是都改变不了这么一个基本情况：人们无法对这未知粒子的电荷，质量和速度进行独立测量。在假定电荷已知的时候，可以精确测量荷质比，但是无法独立决定质量和电荷。

 五） 正负电子对撞机中的正电子

正负电子对撞机中的正电子在原理上是有可能独立测量粒子的一些参数的。这得从正粒子源和注入器的结构谈起。要产生大量的正粒子，首先用热中子轰击镉靶产生伽玛射线。伽玛射线在轰击铂金靶以后产生正负电子对。之所以用铂金做靶子，是因为“正电子”的产量和靶的原子系数的平方成正比。注意了，这就说明，所谓的正负电子对的产生必须以靶的存在为条件，不是从真空中创生的，而是伽玛射线打到靶子上产生的光电子，是光电效应。“正电子”产生以后，被注入到正电子束加速器。注意我这里特别把“正电子”加上引号。为什么呢？因为我们前面已经说过，加速器只能给出粒子轨迹的半径，而决定三个物理量：电荷，质量和速度在这种情况下，在加速器里旋转的粒子既可以是正电子，也可以是质子，阿尔法粒子（氦核）甚至是其他带正电的粒子。

我们能不能有把握说这粒子只带一个电荷呢？没有把握。我们注意到核蜕变反应中最常见的生成物就是氦核（阿尔法粒子）。伽玛射线轰击铂金或者其他靶子的时候，很可能会产生带两个正电荷的氦核。所以，从实验物理的严格要求来说，电荷和质量都必须通过独立的实验决定了，才能确切知道这是什么粒子，而不能根据所谓的正负电子对产生的假说，就认定伽玛射线轰击出来的粒子一定就是正电子。（负电子立即又回到了铂金靶子上，根本就无法测量，也可能根本就没有析出靶子。）

如果我们实在要认证这个粒子，就必须用速度选择器得到粒子的速度。有了速度以后，才可以知道粒子的荷质比。有了荷质比，和电子的荷质比一比较，就可以基本上判断这个粒子到底是不是质子，阿尔法粒子或者正电子。

朋友们可能会抱怨：要像测量电子的电荷一样独立地测量正电子的电荷实在是太难了，甚至不可能，因为正电子的寿命太短了，根本不可能用密立根的油滴实验来测量他的电荷。理论上，正电子在没有电子的真空中的寿命可以长达一万亿年，可是在有其他有物质的环境中，他的湮灭寿命在一万亿分之一秒的数量级。当然就没有办法进行油滴实验。如果其电荷无法独立决定，它的质量也就无法确定。很多所谓“探测到了正电子”的声明，都是建立在正负电子对的创生和湮灭的假定之上的。只要探测到了能量为511 keV的伽玛光子，就认为探测到了正电子。

虽然目前尚未有令人信服的对正电子的质量和电荷的独立测量，但是我的态度是开放的，我甚至倾向于相信一种与电子质量相等电荷相反的粒子的存在。也许以后会有独立实验测量他的质量和电荷。这样的粒子的存在的可能性并没有逻辑上的问题。我只是觉得现在宣称的“正电子”的实验证据不是无懈可击而已。我的质疑主要不是“正电子”存在的可能性，而是它是否会被光子创生，是否一碰到电子就会互相湮灭。下面我们来谈谈这个本质问题。

六） 正负电子对的创生与湮灭—理论起源

质量与能量的相互转化的概念当然起源于相对论的质能关系式。在核物理中，人们把核能看成是由“质量亏损”转换而来。当然这种亏损只是核同位素质量的一个很小的部分，而不是核子总体质量的消失。质量全部湮灭变成能量从狄拉克的相对论量子力学理论中可以找到根据。所谓负能解，其实也可以看成负质量解，因为能量等于质量乘以光速平方。负能量就意味着负质量。一个正质量的电子和负质量的电子加在一起，总质量为零，也就是说，质量没有了，湮灭了。正负电子对湮灭的预言也是狄拉克作出的。

不过在量子场论中流行的看法是正负电子的质量相同，那是不是正负电子对的湮灭概念也要被抛弃呢？不仅不能被抛弃，在量子场论中湮灭和创生的概念更加正规化了，教义化了。量子场论的第一步就是根据对易关系或者反对易关系对费米子和波色子进行二次量子化，也就是进一步把波函数当作算符，这些算符会使量子数降低或者增加，称为湮灭算符和生成算符。这套标准数学操作程序把粒子的湮灭和创生变成了量子场论的基本规则和教义。如果没有粒子的创生和湮灭，量子场论就没法工作。

 七） 正反电子对产生的实验“证据”

在一些教科书上，往往可以看到一些气泡室的照片，其中可以看到一对正负相反的带电粒子的径迹（见下图）。这一对粒子从黑色背景中的同一个地方突然冒出来，径迹的曲率差不多（还是可以看出明显的差别），表示其质量和速度都差不多。这被认为是光子产生正负电子对的实验证据。

这样的所谓“证据”的可疑是显而易见的。照片上的黑色本底并不是真空。事实上，在气泡室里充满了过热液体（通常是液态氢气）。其它的探测器如云室，多丝室，火花室等等都充满了各种气体。这些液体和气体是透明的，被密封在不透光的外壳中，所以在照片上呈现的是黑色本底。如果有高能带电粒子穿过液体，就会在粒子的路径上产生小气泡，记录粒子在磁場中圓周運動的径迹。因此，这些所谓正负电子对产生的照片中的一对粒子，根本就不是无中生有产生出来的，而是光子打到液体原子上敲出来的正负电子，是一种光电效应。这种正负粒子的产生必须以靶子的存在为先决条件。一个真空中行进的光子，不管它的能量有多大，都不会无中生有地产生正负粒子对。

另一方面，这两个带相反电荷的粒子的轨迹曲率半径明显不同，并不对称。即使轨迹完全对称，并假定它们携带相反的电荷，最多也只能说明这两个被光电效应从靶子中打出来的粒子的动量大小相等方向相反，不能得到他们质量相等的结论。

最早在云室中观察到正负电子对产生的是伯拉克特(Patrick Blackett)。他因此获得1948年诺贝尔物理奖。如果一个伽玛光子轰击原子核将产生一对正负电子：其散射截面 σ 为:

其中α为精细结构常数，为电子半径，Z 为靶原子序数，P(E,Z) 是依赖于能量和原子序数的复杂函数 [9]。这个方程式表明正负电子对的产生是光字和靶原子的相互作用的结果，不是由光子的能量转变而来。2008 年， Titan 用激光瞄准1 mm的金片产生大量的正电子，也是光电作用，不是能-质转换。

八）正负电子对的湮灭

没有任何实验证明这种湮灭现象的存在。有的只是一些理论上的费曼图。在量子电动力学里，电子和正电子的碰撞叫巴巴散射 (Bhabha scattering) [10],碰撞以后正负电子或者会交換一个虚光子;或者短暂湮灭，形成虚光子，然后又生成新的一对正负电子。

湮灭过程能不能用实验检验呢？不能够。原因有二：其一，虚光子理论上是不可测量的，只有最终的生成物（一对正负电子）可以测量。其二，理论上，整个湮灭过程也不能单独测量，而必须和交换过程混在一起计算出来的散射截面才是有限的可测量量。即是说，湮灭过程首先必须和随后的正负电子对产生过程混合，再和光子交换过程混合，才能得出有意义的散射界面的理论值（收敛的数值）。孤立的湮灭过程是没有意义的（理论计算结果发散）。这使得所谓的虚光子是否存在的问题更加扑簌迷离。这种将几个过程混合在一起的操作，理论上是重整化的另一个表现形式。在这里，理论物理学家们的思维逻辑和侦探的逻辑正好相反。福尔摩斯为了找到真正的作案人，往往要从许多错综复杂的线索中分离出真正与案情有关的单一线索，才能最终找到真正的作案者。可是理论物理学家们卻反其道而行之，爲了找到真正的作案者，必須把與此案無關的其他案情和此案混在一起，才能破案。人們认为涉及虚光子的单独过程不可测量，而混在一起的过程才可以测量。所谓虚光子的概念以及正负电子对的湮灭和创生的概念仅仅是量子场论的理论概念，不是已经为实验证实的事实。

根据量子场论的recipe（处方，或菜谱），一对正负电子会结合产生一个短暂的状态，叫做positronium,然后立即衰变成一对伽玛光子。正负电子对的碰撞实验通常是在高能对撞机中进行的，其能量在MeV 到GeV数量级，远远高于电子的静止质量（511 keV/c2）。如此产生的伽玛光子的能量覆盖一个宽广的能谱，根本无法分离出具有511keV特征能量的伽玛光子。另外，生成物也极其复杂，根本不止一个干净的孤立的湮灭过程，他甚至被用来产生“上帝粒子”。用正负电子对撞验证湮灭过程最困难的地方仍然是，人们根本无法证明对撞机里面的正负电子在发生碰撞以后到底是否从宇宙中消失了。所谓正负电子对湮灭产生一对伽玛光子纯粹是理论信仰。

20世紀的理论家们有这种本事：实验完全无法探测到的东西，他们不仅可以知道，而且知道得难以想象地清楚。比如说，在巴巴散射中的两种过程中的一种是“光子交换”，另一种是“正负电子对湮灭”。这两种过程中的虚光子有着完全不同的特性。在光子交换过程中的虚光子只有动量，没有能量，而且它的质量的平方是负数！这种虚光子被称为“类空虚光子”。相反，在正负电子对湮灭过程中的虚光子則只有能量，没有动量，其质量的平方是正数，称为“类时虚光子”。它们的共同点是：都违背能量守恒定律。

总而言之，无论是正负电子对的产生还是湮灭，都仅仅是量子场论的理论概念，毫无实验证据。

就是这样的理论信仰，被许多人当成毋庸置疑的事实。在某些医疗诊断技术和实验固体物理的应用中，人们只要测量到了511 keV的伽玛射线，就毫无疑问地认定那是由正负电子对湮灭产生的。下面我们特别谈谈正电子发射断层扫描诊断。

九）正电子发射断层扫描诊断

正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，缩写为PET）是一个用于临床的医疗诊断技术，给人的印象是正负电子对的湮灭不仅已经为实验证实了，而且已经被应用到临床诊断了，似乎在以人命关天的实践证实着正负电子的湮灭。实际上，这种诊断仪并不能给正负电子的湮灭提供任何证据，它只是用病人吸入的同位素的伽玛射线来对人体内部器官和病灶扫描成像。整个过程看不到正电子。准确地说，这种仪器应该叫伽玛射线扫描仪。人们仅仅根据理论相信这些伽玛光子是由正负电子湮灭而成的，所以称其为正电子发射断层扫描诊断。

PET的工作原理是：病人服下某种含放射性同位素（比如氟18）的药物。这些放射性同位素被体内组织和病灶吸收后滞留在体内不同部位放射伽玛射线。这些伽玛射线就像X-光一样成像，将体内组织和病灶的图像通过电脑数据处理呈现出来，供医生分析诊断。正如X-光，超声或者核磁共振可以做断层扫描，伽玛射线也可以做断层扫描。整个过程中医务人员或者扫描仪操作人员没有任何人看到或者探测到正电子。理论上，正电子应该在体内。那为什么人们认为这是正电子发射呢？有两个理由。

第一个理由是，他们探测到的伽玛射线的能量等于511 keV, 正好等于正电子的静止能量。这难道是巧合？还真是巧合。我手头没有氟18同位素的伽玛能谱图，就举一个最重要的正电子源钠22为例子说明。钠22的能谱中有两个清楚的峰，一个在511 keV，另一个在1.27 MeV,在比511 keV更低的能量部分是一个很宽的连续谱，有一个比较平坦的峰，峰值在200 keV 左右。能量为511 keV 和 1.27 MeV的两个伽玛光子几乎同时产生，前后时间差约3 ps, 也就是一万亿分之3秒的差别。要说同时产生的，应该是这两个伽玛光子。事实上，人们通常把1.27 MeV的伽玛光子作为511 keV伽玛光子的认证信号。可是因为511 keV正好是正负电子的静止能量，人们于是认为这些伽玛光子是因为正负电子对的湮灭产生的。这听起来似乎很有道理：你看，我们这样解释，至少对511 keV伽玛光子的来历有了一个说明，有了一个机制，这总比没有机制好吧？如果不是正负电子对的湮灭机制，你说是什么机制呢？如果你说不出来，那我们说是正负电子对的产生不是很有道理吗？

我还真说不出来到底是什么机制产生了511 keV伽玛光子，正如你不知道什么机制产生了1.27 MeV的伽玛光子一样。你也说不出到底什么机制产生了低端的连续谱和200 keV 的峰。目下我们只能满足于把这三个峰值作为钠22的放射性特征，其机制有待于进一步研究探索。但是有一点是比较肯定的，那就是，511 keV和1.27 MeV两个伽玛光子很可能是同一个衰变反应的生成物。

人们还有一个理由认为511 keV光子是正负电子对的湮灭产物。他们说，我们在做断层扫描的时候，用了符合电路同时探测两个511 keV的伽玛光子。只有同时测量到两个光子，才认为是正负电子对的湮灭事件。用了符合电路以后，信噪比大大增加，这是不是可以证明伽玛光子是正负电子对湮灭的产物？

不可以，因为这些放射性同位素的伽玛衰变除了可以同时产生一对511 keV光子,也可以同时产生三个光子或者一个光子，因此一对光子的产生只不过是诸多可能性之一种而已，没有什么特别的意义。何况，成对产生也罢，不成对产生也罢，都不能证明正负电子的湮灭，不能证明这一对粒子从宇宙中消失了。这是不是过于苛刻？是苛刻，但不是过于苛刻。在物质到底是不灭还是会湮灭这个科学最基本的问题上，怎么苛刻都不为过。只要你不能证明正负电子确实从世界上消失了，就没有理由相信所谓的物质湮灭假设。

固体物理实验中的所谓正电子和人体里面的正电子一样，也是不能直接测量的。人们也是根据探测到的511 keV伽玛光子作为正电子存在和湮灭的证据。

十）反质子，反原子，反分子，反物质，反太阳系，反银河系，反宇宙

既然电子有反粒子，人们便陆陆续续地宣布探测到了更多的反粒子。1955年，加州大学伯克利分校的Emilio Segre 和Owen Chamberlain 宣布探测到了反质子并获得了1959年诺贝尔奖。1956年，Bruce Cork 用Lawrence Berkeley National Laboratory的Bevatron发现了反中子。宣布这些反粒子被发现的根据是理论上预言的这些反粒子的可能的反应的生成物，而不是直接观察到这些反粒子本身并对它们在磁场中运动的轨道参数进行过测量。这种间接结果的可信性完全取决于理论预言的可信性，不是独立的实验结果。在此以后，1965年，Antonino Zichichi宣布在CERN的质子同步加速器上探测到了反氘，差不多同时，布鲁克海文国家实验室也宣布探测到了反氘。1995年，CERN宣布发现了反氢原子，但是因为能量太高无法用于研究。直到2002年，ATHENA和ATRAP项目将这些高速反氢原子减速到足够低的能量，其中约千分之一被成功捕捉于一种叫做Penning-Malmberg trap 的磁陷阱中供进一步研究之用。2005年，CERN的ATHENA项目下马，重组了一个ALPHA 项目。2016年，又建了一个叫做ELENA的反质子减速器和冷却器，将这些反质子冷却到90 keV 的能量，算是低到勉强可以在CERN的实验室里做进一步的研究了。这是多大的能量呢？如果你将质子用9万伏的电压加速，其能量就是90 keV.可见要让这反氢原子停下来，静止到可以和未来的反氧原子合成制造出可供未来的反人类饮用的反矿泉水是多么困难的事情。“低能量反氢原子”的产量不过每秒中100个反原子。（亚弗加德罗常数是6.02乘以10 的23次方）。以这个产量计算，要生产一亿分之一克的反氢原子需要几千年。

注意了，我们说每秒钟100的产量不是说这些反氢原子可以永久地储存积累。他们会不停地逃逸瓷陷阱。这就是反物质储存的困难。2011年11月，ALPHA组宣称他们成功地将309个反氢原子束缚在磁陷阱里长达17分钟！这已经是相当了不起的成绩了！据CERN的正式声明，如果假定他们能够将生产的反质子百分之百地变成反氢原子的话，那就需要一千亿年生产出一个克原子的反氢原子。

接下来的一个明星应该是反氦原子了。1970年，俄国人宣称他们在核碰撞实验中发现了反氦3原子。2011年，STAR探测器宣称探测到了反氦4原子。

我在这一小节中没有给“反原子”打上引号，没有从技术上仔细分析评判这些实验结果，因为这样做将使此文长得无法忍受。实际上，所有这些实验结果都是建立在一些理论假设的基础上的间接实验。比如说，根据标准夸克模型，质子是由两个上夸克(u)和一个下夸克(d)组成,那么反质子就应该由两个反上夸克和一个反下夸克组成。然后根据反质子的这个理论组成，和粒子物理标准模型中的对称性和选择定则（量子数的守恒定律）推测反质子可能的反应及其生成物。这些生成物又是寿命极短的共振态，会立即衰变成某些可以测量到的粒子（电子，伽玛光子之类）。只要测量到了这些间接生成物，就认为是测量到了反质子和反原子，所以是非常间接的探测，根本不可能像测量正电子一样测量其轨迹参数和电荷质量。

我没有仔细分析这些实验结果的真正意思是想说明这么一个道理：即使我们完全相信欧洲核子研究中心宣称的这些成绩，也可以看到制造反粒子和更大的反原子并把它们长期储存积累有多难，那些以正反物质湮灭为理论的反物质推进器和反物质武器之类的项目和谣言是多么不靠谱。

我在“从大跃进体到吓尿体”一文中还谈到了一个问题，就是反物质可能提供的理论能量是不是能比制造反物质所投入的能量更多的问题。也就是说，这种项目会不会得不偿失？让我们看看背景资料。

根据美国宇航局的报告称，反物质是“最贵的材料”[11]，制造一克反氢原子需要超过60万亿美元。据Gerald Smith估计，生产十毫克正电子大概需要2.5亿美元 [12]。据欧洲核子研究中心报告，生产十亿分之一克用于研究的反氢原子用掉了几亿瑞士法郎。作为比较：美国在二次大战期间制造原子弹的曼哈顿工程花费了大约23万亿美元。在这些估计中，我们还没有包括储存这么多反物质（多达一克！）所需的费用。 于是，人们又开始大胆设想新的方法。据说围绕地球的Van Allen 带和围绕木星的气体带里面有反物质，可不可以到那些地方去捞？说不定到天上去捞比在地上造要便宜呢。我于是想起了一篇小学课文中到太阳山去检金子的故事。老师说，那不是神话，是寓言。

写寓言和神话的人往往是学文科的。是不是学文科的人比学理工科的人更具有想像力？理工男们且不服气呢。他们的想像力一旦挣脱了科学原理和逻辑的拘束，可以抟扶摇而上九万里。我前面提到了，这些富于想像力的理工男理工女早在1930年就预想到了反元素周期表，也就是说，所有元素周期表中的元素及其同位素都有对应的反元素反同位素。从我们上面的讨论可以知道，现在最好的成绩也就是宣称得到了几个反氢原子和反氦原子，反元素周期表中最轻的两位。更重的反元素八字还没有一撇。可是这些想像家们已经在开始谈论用反物质为能源实现星际航行或者制造可以一个晚上毁灭人类的武器了。此外，在科普读物中甚至学术刊物上都可以读到非常前卫的名词和概念如反太阳系，反银河系，甚至反宇宙。这不是天方夜谭，是宇宙夜谭。

想像是不用纳税的。而且据说，科学的发展全靠想像。

十一）结语

总结一下：

1） 正电子是很可能存在的，但是至今我们并没有对它的质量和电荷的单独测量，所以其认证并不是无懈可击的。

2） 所谓“反质子”的认定更加不可信，其认定基本上是建立在夸克模型的基础之上。如果夸克模型不成立，“反质子”的认定也就自然无效。但是，一个质量和质子基本相等但是带一个负电荷而且寿命非常短的粒子是可能存在的，比如说，一个中子从原子核衰变中溢出时上面附着一个电子，就可能是这种粒子。

3） 正反粒子对的湮灭是理论假定。没有任何实验证明正反粒子会互相湮灭。电子或者正电子打到靶上产生伽玛光子是荧光效应(Fluorescence)。产生伽玛光子以后，电子或正电子并没有湮灭，而是被靶吸收了。

4） 所有被解释为正反粒子对创生的云室照片和乳胶照片记录的都是光电效应，光电子产量取决于靶的原子量。没有靶的存在，任何光都不可能生产出正负电子。

所以，我反对的是物质的湮灭和创生，而不是具体的什么粒子。我反对的是可以湮灭或被创生的正电子（或者反电子）的存在，并不反对一个与电子质量相等电荷相反的正电子的存在。

朋友们可能会说，就算你对这些实验的质疑有些道理，但是你也并不能排除以后有更严格可靠的实验证明湮灭和创生，不能从逻辑上绝对否定湮灭与创生现象啊。你为什么就如此断然否定湮灭和创生呢？

我固然不能排除以后会有更多的更严密认真的实验，但是我仍然可以十分肯定地说，更严密可靠的实验只会更令人信服地证明粒子（物质）的湮灭和创生是不可能的。这不是一个形式逻辑问题，而是一个科学逻辑和科学信念问题。我有两个理由。首先，物质不灭质量守恒定律是最为基本的科学定律之一，不容置疑；其次，质量和能量是完全不同的物理量。质量是物质多少的量度，能量是运动多少的亮度。他们相关，但是不能互相转换。正如质量和动量相关但是不能互相转换一样。我认为反物质不存在的观点是建立在这两个根本的信念之上的。

参考文献

1) K. Pearson (1891) , “Ether Squirts”, American Journal of Mathematics, 13 (4): 309-72. doi: 10.2307/2369570 ( https://doi.org/10.2307%2F2369570). JSTOR 2369570 ( https://www.jstor.org/stable/2369570).

2) P.A.M. Dirac (1928), “The Quantum Theory of the Electron”, Proceedings of the Royal Society A, 117 (778): 610-624, Bibcode: 1928RSPSA.117..610D ( http://adsabs.harvard.edu/abs/1928RSPSA.117..610D). doi:10.1098/rspa. 1928.0023 ( https://doi.org/10.1098%2Frspa.1928.0023). JSTOR 94981 ( https://www.stor.org/stable/94981).

3) P.A. Dirac (1930), “A theory of electron and protons” ( http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/126/801/360.full.pdf), Proceedings of the Royal Society A, 126 (801): 360.

4) P.A. Dirac (1931), “Quantised Singularities in the Quantum Field” ( http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/133/821/60.full.pdf), Proceedings of the Royal Society A, 133 (821).

5) R. Feynman (1949), “The theory of positrons”, Physical Review, 76 (6):749. Bibcode:1949PhRv…76..749F ( http://adsabs.harvaard.edu/abs/1949PhRv…76..749F).

6) Y. Nanbu (1950), “The Use of the Proper Time in Quantum Electrodynamics I”, Progress of Theoretical Physics, 5 (1): 82.

7) P.J. Stewart (2010), “Charles Janet: Unrecognized genius of the periodic system”, Foundations of Chemistry, 12 (1): 5-15. doi:10.1007/s10698-008-9062-5 ( https://doi.org/10.1007%2Fs10698-008-9062-5).

8) P.J. Gilmer, (July 19, 2011), “Irene Jolit-Curie, a Nobel laureate in artificial radioactivity”, ( http://www.chem.fsu.edu/~gilmer/PDFs/Ch%202_Irene_Curie_Penny_Gilmer_6-19-11_pg_mh.pdf).

9)  https://en.wikipedia.org/wiki/MSNBC, “Laser technique produces bevy of antimatter”. MSNBC. 2008. Retrieved 2008-12-04.

10) H. Frauenfelder and E. M. Henley, Subatomic Physics, Prentice Hall/Englewood Cliffs, New Jersey, 1991, ISBN: 0-13-859430-9.

11) “Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft”. .( https://science.nasa.gove/science-news/scence-at-nasa/1999/prop12apr99_1). NASA. 12 April 1999. Retrieved 11 June 2010, “Antimatter is the most expensive substance on Earth”.

12) B.Steigerwald (14 March 2006), “New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions” ( http://www.nasa.gov/exploration/home/antimatter_spaceship.html). NASA, Retrieved 11 June 2010, “A rough estimate to produce the 10 milligrams of positrons needed for a human Mars mission is about 250 million dollars using technology that is currently under development”.

2017年12月