專題報導／特約記者陳雅婷

近年在電影《痞子英雄》或《天使與魔鬼》中，反派角色的武器都是一種名為「反物質」的奇妙物質。然而，在真實的世界裡，「反物質」呈現著什麼樣的面貌？是否真如電影中形容的威力強大呢？就讓我們來一窺究竟！

從古至今人類都在探究物質如何被組成，而相信物質有最小的組成單位的概念，也在許多文明中成形。十九世紀初，英國化學家約翰．道爾頓提出原子理論，認為物質皆由原子構成；兩千多年前，莊子則寫下：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭」的字句，提出一支木尺每天切去一半，日復一日，是無止盡抑或會有極限的問題？而答案在二十世紀初隨著許多關鍵性實驗逐漸明朗化。

首先是英國科學家湯姆生證實了電子的存在，緊接著1910年來自紐西蘭的拉塞福利用金箔散射的實驗，提出了影響至今的「原子核模型」。根據此模型，原子是由原子核與核外的電子構成。至此，物理學界進入近代最重要的時期，開始探索原子內部的世界是如何組成。在這樣的背景下，量子力學開始發展並初步解釋了原子內部的物理規則，而愛因斯坦也同時提出了相對論來修正質量極大，速度極大下的牛頓力學。近代物理的兩大基石，便各自在不同的物理尺度下開始對古典物理進行全面的革命。

在此一時代背景下，反粒子究竟是如何被發現？這得從相信數學有著純粹美感的英國物理學家狄拉克（P.A.M. Dirac, 1902-1984）說起。對量子力學創建有著極大貢獻的狄拉克，在量子力學初步架構發展完成後，進一步將相對論要求的一些物理特性納入量子力學的範疇下，展開量子力學與相對論初步的統合工作。

市立大同高中物理教師陳文楠表示，狄拉克依此原則進行電子的波動方程式（描述電子在空間中存在的機率分布）的計算時，成功地推導出已知的許多電子性質。但在計算中，出現了令人困惑的結果：就是方程式中竟出現了能量負值的解！這大大地困擾了狄拉克，此時他面臨了抉擇：就是出現能量負值之方程式可能是一個例外。但這不符合他的信念，曾留下「一個物理定律必須有數學美」名言的他，是無法接受任意用例外來刪除理論計算後的結果。因此，在苦思之後，他在1930年提出了非常大膽的假設──他認為負能量的量子狀態的確是存在的，而且可能是由我們尚未發現的粒子所組成。這無疑是在物理學界投下了震憾彈。

兩年後，美國物理學家卡爾．安德森即在實驗室裡發現了具有正電的電子─即所謂電子的反粒子，亦稱「正子」。陳文楠表示，正子的發現除了證實了狄拉克的理論外，也讓物理學家們更加重視物理世界中「對稱」的重要性，故紛紛尋找起各種粒子的「對稱」孿生兄弟─也就是反粒子。

反粒子與粒子究竟存在著什麼樣的對稱關係？事實上它們彼此間具有相同的質量、半衰期、電荷大小，但電性相反。此外，反粒子就如同一般物質般，是以原子、分子的形式存在。例如歐洲核子研究組織（CERN）在狄拉克預言反粒子七十年後，終於在2002年發現最簡單的反原子──反氫，即由一個反質子和反電子結合之反氫原子。