論反能量、反光子的存在及物理特性——兼論證實(shí)反光子存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傅文彥

（黃淮學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

論反能量、反光子的存在及物理特性
——兼論證實(shí)反光子存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傅文彥

（黃淮學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

文章論述了反能量（負(fù)能量）和反物質(zhì)的本質(zhì)，提出了一些證實(shí)反光子存在和顯示反能量物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．

反物質(zhì)；反能量；反光子；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引言

20世紀(jì)初，由于物理學(xué)的一場(chǎng)大革命，在物理學(xué)領(lǐng)域豎起了兩桿大旗，一是相對(duì)論，一是量子力學(xué)．這兩個(gè)宏大理論體系的哲學(xué)思想和因果律截然不同，它們所處理的物理體系也大不一樣．相對(duì)論主要處理高速、宏觀、引力等方面的問(wèn)題，而量子力學(xué)則主要集中處理微觀世界的一些問(wèn)題．隨著兩大理論在各自領(lǐng)域的成功（理論完善和實(shí)驗(yàn)證實(shí)）以及兩者間的碰撞和融合，大大推進(jìn)了物理學(xué)和相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展．

相對(duì)論和量子力學(xué)理論的融合還衍生出了許多新的物理思想，反物質(zhì)概念的建立和深化就是其一．1898年，英國(guó)物理學(xué)家Arthur Schuster曾從電荷有正、負(fù)的事實(shí)聯(lián)想到金子也可能有負(fù)的．但是，科學(xué)意義上的反物質(zhì)概念是在狄拉克1928年建立狄拉克方程之后產(chǎn)生的．從狄拉克1931年提出反粒子理論解釋其方程的負(fù)能解，到1932年美國(guó)物理學(xué)家安德森發(fā)現(xiàn)帶正電荷的電子，反物質(zhì)概念才基本確立．

1955年美國(guó)在加速器上制造出了反質(zhì)子，1956年人們發(fā)現(xiàn)了反中子，1995年歐洲原子核委員會(huì)制造出了壽命為40 ns的反氫原子．人們還發(fā)現(xiàn)一個(gè)反中子經(jīng)過(guò)β衰變后，會(huì)變成一個(gè)反質(zhì)子而不是一個(gè)帶正電的質(zhì)子．目前，反物質(zhì)已經(jīng)用在正電子放射斷層掃描儀中，且在理論的指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)的支持下，反物質(zhì)的概念已基本確立，但是，反物質(zhì)概念的進(jìn)一步深化和完善，有待于人們沖破某些固有觀念，有待于開(kāi)拓新領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)．

本文約定：把與正電子（帶正電荷的電子）相同的物質(zhì)世界叫反物質(zhì)世界，把與正電子相反的物質(zhì)世界叫正物質(zhì)世界，正物質(zhì)世界的能量叫正能量簡(jiǎn)稱(chēng)能量，反物質(zhì)世界的能量叫負(fù)能量或反能量．

1 狄拉克方程及其負(fù)能態(tài)詮釋—反能量

狄拉克在建立狄拉克方程時(shí)，有意識(shí)地把描述微觀粒子的薛定諤方程和狹義相對(duì)論結(jié)合了起來(lái)．在構(gòu)建哈米頓算符時(shí)，他就假定它滿(mǎn)足洛倫茲協(xié)變性的要求，從而巧妙地把量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)．于是，狄拉克在研究該方程的解的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了負(fù)能解．但是，物理學(xué)家對(duì)負(fù)能解的物理意義的認(rèn)識(shí)經(jīng)過(guò)了一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的過(guò)程，從1928年開(kāi)始經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的探討（包括理論和實(shí)驗(yàn)研究），人們對(duì)負(fù)能解終于有了初步認(rèn)識(shí)，起碼認(rèn)識(shí)到反物質(zhì)具有的能是負(fù)能．但是，負(fù)能量更深層的意義以及負(fù)能量和其他物理量的關(guān)系，還有待人們更深入地研究，也許這就是解決目前物理學(xué)中一些重大難題的突破口．

筆者認(rèn)為，負(fù)能量是與正物質(zhì)能量相反的能量，但它與正能量一樣符合代數(shù)運(yùn)算規(guī)律；負(fù)能量還與反物質(zhì)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；負(fù)能量在反物質(zhì)世界的地位如同正能量在正物質(zhì)世界的地位，反物質(zhì)世界也一定會(huì)有負(fù)能量守恒定律，負(fù)能量守恒定律是反物質(zhì)世界最美麗的定律；把現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到的負(fù)能量叫做反能量，可能更有助于認(rèn)識(shí)其本質(zhì)，其他物理定律、定理和法則也是如此．

另一個(gè)重大問(wèn)題是能量與質(zhì)量的關(guān)系問(wèn)題．反物質(zhì)世界的能量是負(fù)的，顯然質(zhì)量也應(yīng)該是負(fù)的，因?yàn)镋=mc2．這就涉及萬(wàn)有引力問(wèn)題．這個(gè)問(wèn)題可以這樣來(lái)回答：由于m1m2=(?m1)(?m2)，故負(fù)質(zhì)量與負(fù)質(zhì)量之間的萬(wàn)有作用力

仍是引力，而不是斥力；但是，反物質(zhì)與正物質(zhì)之間的萬(wàn)有作用力

是正的，即是斥力．

2 反原子的輻射和吸收——反光子

從對(duì)稱(chēng)性上考慮，反物質(zhì)中的反原子也會(huì)有電磁輻射，也具有波粒二重性．這個(gè)輻射不同于正物質(zhì)的電磁輻射，因?yàn)樗哪芰渴秦?fù)的．筆者在這里把這種輻射的量子稱(chēng)為反光子．反光子具有反能量，也是反物質(zhì)．

依此推理，反光子也可用類(lèi)似于麥?zhǔn)戏匠毯酮M義相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系E=mc2來(lái)描述．由愛(ài)因斯坦光子論[1]及正、反物質(zhì)的對(duì)稱(chēng)性可推知E(光)反=??.ω筆者確信，反光子遵守類(lèi)似于量子場(chǎng)論的描述，即反光子的光量子方程形式仍是

其中ωi=?iν，νi是反光子波的頻率，ni是頻率為νi的反光子數(shù)；拉氏量中 3次以上的項(xiàng)描述反光子及其他反粒子的散射、產(chǎn)生和湮滅；反原子輻射的電磁場(chǎng)與正原子輻射的電磁場(chǎng)有不同之處，體現(xiàn)在力學(xué)性質(zhì)和量子性質(zhì)的某些方面．

反原子既能輻射能量，也能吸收能量．反原子如果吸收反能量（反光子）將會(huì)使其能量絕對(duì)值增大，反原子如果吸收正能量（正光子）將會(huì)使其能量絕對(duì)值減少．

根據(jù)正物質(zhì)世界能量趨于最小原理（絕對(duì)值趨于最小），從對(duì)稱(chēng)性上分析，反物質(zhì)世界應(yīng)遵守相似規(guī)律，即能量絕對(duì)值最小原理．反原子吸收正光子之后，會(huì)更加穩(wěn)定，即可以延長(zhǎng)反原子的壽命．

3 證實(shí)反光子存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

科學(xué)和信仰的根本區(qū)別是：科學(xué)中的假設(shè)和理論都要有實(shí)驗(yàn)支持，要有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，要能預(yù)言實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而信仰一般無(wú)法用實(shí)驗(yàn)證實(shí)．筆者這里提出以下證實(shí)反光子存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

3.1 反氫原子的電磁輻射就是反光子

正物質(zhì)世界和反物質(zhì)世界之間應(yīng)存在對(duì)稱(chēng)性，反氫原子也應(yīng)有能級(jí)間的躍遷．但極其重要的一點(diǎn)是，反氫原子能級(jí)間的躍遷是負(fù)能量能級(jí)間的躍遷，也就是說(shuō)反氫原子輻射或吸收的都是反光子（在反物質(zhì)世界）．

正光子的能量與反光子的能量是相反的，用正光子去照射反氫原子，就可以使反氫原子的能量絕對(duì)值減小，從而使反氫原子較為穩(wěn)定．為了使這種效應(yīng)更加明顯，我們可以用正氫原子受激后的輻射照射即將合成的反氫原子，即用氫原子發(fā)出的激光去照射反氫原子．從能量絕對(duì)值最小原理出發(fā)，可以推論這種照射更有利于反氫原子的制造．通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)，可直接或間接地證實(shí)反光子的存在．

3.2 通過(guò)帶電正、反物質(zhì)粒子變速運(yùn)動(dòng)輻射的湮滅來(lái)證實(shí)

因?yàn)檎⒎戳Ｗ佣伎墒茈妶?chǎng)和磁場(chǎng)的控制，這樣就可以使其同處于一個(gè)能使它們留下痕跡的空間中，觀察兩者處于加速狀態(tài)中輻射的正光子和反光子的湮滅現(xiàn)象．這種實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)將能直接證實(shí)反光子的存在，回旋加速器或正、負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是這類(lèi)實(shí)驗(yàn)可以借用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備．

3.3 從已有反粒子照片等資料中尋找反光子的蹤跡

美國(guó)物理學(xué)家安德森（Carl D. Anderson）1981年撰文回憶說(shuō)：是中國(guó)科學(xué)家趙忠堯1930年的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)他終于發(fā)現(xiàn)了正電子．我們也可用類(lèi)似的思維去查看可能與反光子有關(guān)的高能物理實(shí)驗(yàn)，以期找到一些線索．例如，可以查看正、負(fù)電子湮滅的有關(guān)資料，可以查看γ光子對(duì)中有沒(méi)有反光子的痕跡，還可以查看反質(zhì)子、反超子等照片中有無(wú)反光子的信息．這種方法既經(jīng)濟(jì)又快捷，但應(yīng)注意這樣的問(wèn)題：靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)與電磁場(chǎng)（光子）是不同的物理狀態(tài)，靜磁場(chǎng)與靜電場(chǎng)是電磁場(chǎng)的特殊狀態(tài)，靜磁場(chǎng)（或靜電場(chǎng)）與電磁場(chǎng)之間的作用和電磁場(chǎng)與電磁場(chǎng)之間的作用有所不同；產(chǎn)生γ光子對(duì)時(shí)正、反物質(zhì)的初瞬斥力，可能同時(shí)產(chǎn)生正、反光子．根據(jù)以上討論，從原有資料中尋求反光子的信息是可行的．

3.4 通過(guò)宇宙觀察和太空實(shí)驗(yàn)尋找反光子

廣義相對(duì)論預(yù)言的引力透鏡現(xiàn)象，在正物質(zhì)世界已被證實(shí)．從正、反物質(zhì)對(duì)稱(chēng)性的角度推理，在反物質(zhì)世界也應(yīng)該有類(lèi)似的引力透鏡現(xiàn)象，但在正物質(zhì)世界觀察到的應(yīng)是負(fù)引力透鏡現(xiàn)象，因?yàn)檎镔|(zhì)與反物質(zhì)間的萬(wàn)有作用力是斥力．

筆者認(rèn)為，宇宙中的反物質(zhì)（反原子、反粒子）也會(huì)發(fā)生衰變，這時(shí)就有可能產(chǎn)生反光子．反光子的能量絕對(duì)值越大，正物質(zhì)對(duì)它的斥力就越大，就越不易被正物質(zhì)吸收．因此，在太空實(shí)驗(yàn)中找到反光子的幾率可能較大．

4 結(jié)語(yǔ)

如果反能量、反光子被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，那么對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)理論的影響將是巨大的，并且將有可能影響到社會(huì)的各個(gè)方面．簡(jiǎn)言之，這種影響主要反映在：(1) 深化人們對(duì)正能量與負(fù)能量、正物質(zhì)與反物質(zhì)的認(rèn)識(shí)；(2) 激勵(lì)人們進(jìn)一步檢驗(yàn)物理學(xué)的基本原理；(3) 促進(jìn)相對(duì)論和量子場(chǎng)論（量子力學(xué)）的完善；(4) 為建立新物理理論打下基礎(chǔ)；(5) 提高科技發(fā)展水平．

志謝：感謝我的外孫佘沛澤完成該篇論文的文字錄入！

[1] 戴元本．量子場(chǎng)論的發(fā)展[M]//科學(xué)前沿與未來(lái)：10集．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006：47．

On the Existence and Physical Properties of Antienergy and Antiphoton——Also on the Experimental Designs to the Confirm of the Existence of Antiphoton

FU Wen-yan
(Huanghuai university, Zhumadian Henan 463000, China)

This article discusses the nature of the anti-energy (negative energy) and antimatter. Some experimental designs to confirm the existence of anti-photon and display of anti-energy physical properties are proposed.

antimatter; anti-energy; anti-photon; experimental designs

O4-1

A

1006-5261(2012)02-0005-02

2011-10-15

傅文彥（1936―），男，河南西平人，教授．

〔責(zé)任編輯 張繼金〕