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
——兼論證實反光子存在的實驗設(shè)計

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)，提出了一些證實反光子存在和顯示反能量物理性質(zhì)的實驗設(shè)計．

反物質(zhì)；反能量；反光子；實驗設(shè)計

0 引言

20世紀(jì)初，由于物理學(xué)的一場大革命，在物理學(xué)領(lǐng)域豎起了兩桿大旗，一是相對論，一是量子力學(xué)．這兩個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．相對論主要處理高速、宏觀、引力等方面的問題，而量子力學(xué)則主要集中處理微觀世界的一些問題．隨著兩大理論在各自領(lǐng)域的成功（理論完善和實驗證實）以及兩者間的碰撞和融合，大大推進了物理學(xué)和相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展．

相對論和量子力學(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，英國物理學(xué)家Arthur Schuster曾從電荷有正、負(fù)的事實聯(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制造出了壽命為40 ns的反氫原子．人們還發(fā)現(xiàn)一個反中子經(jīng)過β衰變后，會變成一個反質(zhì)子而不是一個帶正電的質(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)和實驗的支持下，反物質(zhì)的概念已基本確立，但是，反物質(zhì)概念的進一步深化和完善，有待于人們沖破某些固有觀念，有待于開拓新領(lǐng)域的實驗．

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稱能量，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，有意識地把描述微觀粒子的薛定諤方程和狹義相對論結(jié)合了起來．在構(gòu)建哈米頓算符時，他就假定它滿足洛倫茲協(xié)變性的要求，從而巧妙地把量子力學(xué)和狹義相對論結(jié)合起來．于是，狄拉克在研究該方程的解的過程中發(fā)現(xiàn)了負(fù)能解．但是，物理學(xué)家對負(fù)能解的物理意義的認(rèn)識經(jīng)過了一個復(fù)雜而漫長的過程，從1928年開始經(jīng)過近一個世紀(jì)的探討（包括理論和實驗研究），人們對負(fù)能解終于有了初步認(rèn)識，起碼認(rèn)識到反物質(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)識到的負(fù)能量叫做反能量，可能更有助于認(rèn)識其本質(zhì)，其他物理定律、定理和法則也是如此．

另一個重大問題是能量與質(zhì)量的關(guān)系問題．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，因為E=mc2．這就涉及萬有引力問題．這個問題可以這樣來回答：由于m1m2=(?m1)(?m2)，故負(fù)質(zhì)量與負(fù)質(zhì)量之間的萬有作用力

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

從對稱性上考慮，反物質(zhì)中的反原子也會有電磁輻射，也具有波粒二重性．這個輻射不同于正物質(zhì)的電磁輻射，因為它的能量是負(fù)的．筆者在這里把這種輻射的量子稱為反光子．反光子具有反能量，也是反物質(zhì)．

依此推理，反光子也可用類似于麥?zhǔn)戏匠毯酮M義相對論的質(zhì)能關(guān)系E=mc2來描述．由愛因斯坦光子論[1]及正、反物質(zhì)的對稱性可推知E(光)反=??.ω筆者確信，反光子遵守類似于量子場論的描述，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與正原子輻射的電磁場有不同之處，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）將會使其能量絕對值增大，反原子如果吸收正能量（正光子）將會使其能量絕對值減少．

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

3 證實反光子存在的實驗設(shè)計

科學(xué)和信仰的根本區(qū)別是：科學(xué)中的假設(shè)和理論都要有實驗支持，要有實驗驗證，要能預(yù)言實驗結(jié)果，而信仰一般無法用實驗證實．筆者這里提出以下證實反光子存在的實驗設(shè)計：

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)存在對稱性，反氫原子也應(yīng)有能級間的躍遷．但極其重要的一點是，反氫原子能級間的躍遷是負(fù)能量能級間的躍遷，也就是說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．通過這種實驗，可直接或間接地證實反光子的存在．

3.2 通過帶電正、反物質(zhì)粒子變速運動輻射的湮滅來證實

因為正、反粒子都可受電場和磁場的控制，這樣就可以使其同處于一個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．這種實驗的實現(xiàn)將能直接證實反光子的存在，回旋加速器或正、負(fù)電子對撞機是這類實驗可以借用的實驗設(shè)備．

3.3 從已有反粒子照片等資料中尋找反光子的蹤跡

美國物理學(xué)家安德森（Carl D. Anderson）1981年撰文回憶說：是中國科學(xué)家趙忠堯1930年的實驗，引導(dǎo)他終于發(fā)現(xiàn)了正電子．我們也可用類似的思維去查看可能與反光子有關(guān)的高能物理實驗，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光子對中有沒有反光子的痕跡，還可以查看反質(zhì)子、反超子等照片中有無反光子的信息．這種方法既經(jīng)濟又快捷，但應(yīng)注意這樣的問題：靜電場、靜磁場與電磁場（光子）是不同的物理狀態(tài)，靜磁場與靜電場是電磁場的特殊狀態(tài)，靜磁場（或靜電場）與電磁場之間的作用和電磁場與電磁場之間的作用有所不同；產(chǎn)生γ光子對時正、反物質(zhì)的初瞬斥力，可能同時產(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 通過宇宙觀察和太空實驗尋找反光子

廣義相對論預(yù)言的引力透鏡現(xiàn)象，在正物質(zhì)世界已被證實．從正、反物質(zhì)對稱性的角度推理，在反物質(zhì)世界也應(yīng)該有類似的引力透鏡現(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，因為正物質(zhì)與反物質(zhì)間的萬有作用力是斥力．

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

4 結(jié)語

如果反能量、反光子被實驗證實，那么對現(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的各個方面．簡言之，這種影響主要反映在：(1) 深化人們對正能量與負(fù)能量、正物質(zhì)與反物質(zhì)的認(rèn)識；(2) 激勵人們進一步檢驗物理學(xué)的基本原理；(3) 促進相對論和量子場論（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．量子場論的發(fā)展[M]//科學(xué)前沿與未來：10集．北京：中國環(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〕