一九○八年六月三十日早晨七點(diǎn)十七分，在俄國(guó)荒涼的西伯利亞通古斯河附近發(fā)生了一次巨大的爆炸。爆炸的火球使天空的太陽(yáng)顯得暗淡無(wú)光，兩千平方公里的森林被燒掉，幾千棵大樹(shù)被連根拔起。周邊農(nóng)舍全遭摧毀，屋內(nèi)銀器都因高溫而熔化了。據(jù)估計(jì)，這次爆炸的威力相當(dāng)于摧毀廣島的原子彈的一千倍！幸好爆炸地點(diǎn)非常偏遠(yuǎn)，離最近的城市也有八百公里之遙，因而未造成太大的損失。至于爆炸原因，則眾說(shuō)紛紜，被比較普遍接受的觀點(diǎn)是認(rèn)為來(lái)自外太空的巨大隕石的撞擊所引起。但這種解釋有一個(gè)問(wèn)題：隕石撞擊應(yīng)該留下一個(gè)像月球環(huán)形山那樣的巨大隕石坑，而在爆炸地點(diǎn)卻看不到。一九六五年，利比（W.F. Libby，1908—1980，獲一九六○年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）、科溫（Clyde Cowan，1919—1974，本應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但由于早逝而未能得到）和阿特勒瑞（C.R. Atluri）在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，提出一個(gè)全新的觀點(diǎn)——通古斯大爆炸是由外太空來(lái)的反物質(zhì)引起的。
　　反物質(zhì)是什么？這必須從狄拉克和他的相對(duì)論量子力學(xué)說(shuō)起。
　　狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）是二十世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一。他恐怕還不僅是一般意義上的天才，他對(duì)物理的洞察力讓同時(shí)代的其他天才都自嘆弗如，就連量子力學(xué)的奠基人之一，當(dāng)時(shí)在物理界如日中天的海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976，獲一九三二年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）都對(duì)他退避三舍。然而，狄拉克對(duì)這些似乎并不自知，對(duì)于出名，他是避之唯恐不及的。一九三三年，當(dāng)他得知自己獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)后，曾對(duì)核物理之父盧瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937，獲一九○八年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）表示他不想出名，想拒絕這個(gè)榮譽(yù)。不過(guò)，盧瑟福的勸說(shuō)很具說(shuō)服力：“如果你真這樣做，你會(huì)更出名，人家更要來(lái)麻煩你。”為了不至“更出名”，他只好乖乖地去領(lǐng)獎(jiǎng)。狄拉克還有一大特點(diǎn)，就是潛心學(xué)問(wèn)，一向少言寡語(yǔ)。據(jù)說(shuō)有一次他出席劍橋大學(xué)的一個(gè)宴會(huì)，正好坐在同樣沉默寡言的小說(shuō)家福斯特（E.M. Forster，1879—1970）旁邊，在長(zhǎng)時(shí)間呆坐之后，狄拉克終于轉(zhuǎn)過(guò)頭說(shuō)了話：“山洞里發(fā)生了什么？”意指福斯特小說(shuō)《印度之旅》中的某個(gè)情節(jié)。福斯特也呆坐不答，直到宴會(huì)即將結(jié)束、甜點(diǎn)上桌時(shí)，他才終于蹦出一句：“我不知道?！?br/>　　狄拉克原本是學(xué)數(shù)學(xué)的，有一次偶然選了一門(mén)由哲學(xué)教授講的關(guān)于愛(ài)因斯坦相對(duì)論的課，盡管從課堂上沒(méi)學(xué)到多少東西，卻把他的興趣從數(shù)學(xué)引向了物理。他立即決定申請(qǐng)到著名的劍橋大學(xué)的研究生院去學(xué)物理。在劍橋，狄拉克學(xué)習(xí)了量子論創(chuàng)始人玻爾（Niels Bohr，1885—1962，獲一九二二年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）的原子理論之后，一個(gè)奇妙的想法讓他如醉如癡：將狹義相對(duì)論與量子論結(jié)合在一起，從而獲得對(duì)微觀粒子的性質(zhì)更準(zhǔn)確、更完美的描述。相對(duì)論和量子論是近代物理學(xué)的兩大基石。狹義相對(duì)論主要是描述宏觀世界中空間與時(shí)間的關(guān)系及物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的規(guī)律的理論。量子論則是研究微觀世界里物理現(xiàn)象的理論。要把兩者結(jié)合到一起可不是一件容易的事。狄拉克每天花大量時(shí)間一邊散步一邊沉思，夜深人靜時(shí)再在紙上演算和推導(dǎo)。可是在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，他的研究毫無(wú)進(jìn)展，作為出發(fā)點(diǎn)的克萊因-戈登方程總是把他領(lǐng)入死胡同。終于有一天，在一九二八年一個(gè)寒冷的夜晚，當(dāng)他坐在劍橋圣約翰學(xué)院一間酒吧的壁爐前冥思苦想時(shí)，突然靈光一閃（也許這就是禪宗所謂的頓悟吧）明白了問(wèn)題的癥結(jié)所在——克萊因-戈登方程中與時(shí)間相關(guān)的部分是不正確的。于是，著名的狄拉克方程誕生了！這個(gè)方程不但在物理學(xué)里占有極重要的地位，對(duì)化學(xué)以及很多如今被廣泛應(yīng)用的新技術(shù)（例如醫(yī)院里通用的核磁共振成像技術(shù)）都有著不可估量的影響。按華裔物理學(xué)大師楊振寧的說(shuō)法，狄拉克方程“是驚天動(dòng)地的成就，是劃時(shí)代的里程碑”。
　　當(dāng)?shù)依藢⑺闹匠虘?yīng)用到電子上時(shí)，他很快就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)：在方程的解里面，不但有準(zhǔn)確描述電子特性的解，同時(shí)還存在對(duì)應(yīng)于負(fù)能量狀態(tài)的解！我們都知道，在現(xiàn)實(shí)世界里能量只可能是正的。面對(duì)類(lèi)似情況，一般的物理學(xué)家可能會(huì)懷疑方程本身有誤或認(rèn)為這些負(fù)能解只是一種純數(shù)學(xué)的非物理解而不去管它。但狄拉克不是一般的物理學(xué)家。在判斷一個(gè)物理理論是否正確的標(biāo)準(zhǔn)上，他和愛(ài)因斯坦是一黨，他們都以理論優(yōu)雅（elegance）與否為最高準(zhǔn)則。二十八歲就成為蘇聯(lián)科學(xué)院院士的伽莫夫（Geoge Gamov，1904—1968）半開(kāi)玩笑地總結(jié)了他們這一派人所信奉的四大信條：一、如果一個(gè)優(yōu)雅的理論與實(shí)驗(yàn)相符，其正確性毋庸置疑；二、如果一個(gè)優(yōu)雅的理論與實(shí)驗(yàn)不符，實(shí)驗(yàn)肯定是錯(cuò)的（海森堡公理）；三、如果一個(gè)不優(yōu)雅的理論與實(shí)驗(yàn)不符，事情則還有可為——通過(guò)改進(jìn)理論有可能使它與實(shí)驗(yàn)相符（玻爾修正案）；四、如果一個(gè)不優(yōu)雅的理論與實(shí)驗(yàn)相符，事情就沒(méi)指望了（伽莫夫觀念）。什么樣的理論是優(yōu)雅的呢？按愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，這理論應(yīng)該“盡可能地簡(jiǎn)單，但卻不能再行簡(jiǎn)化”。狄拉克方程是非常優(yōu)雅的，因而狄拉克對(duì)它的正確性絕對(duì)有信心，同時(shí)他也相信負(fù)能量解一定有它的深刻涵義。經(jīng)過(guò)縝密的思考，他于一九三一年斷言負(fù)能量解實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是與電子相反的另一種粒子。他將其稱(chēng)為空穴，負(fù)能量的空穴在現(xiàn)實(shí)世界里看起來(lái)就是具有正能量的反粒子。電子帶負(fù)電荷，與電子對(duì)應(yīng)的反粒子就應(yīng)該帶有數(shù)量相等的正電荷。剛開(kāi)始，狄拉克以為質(zhì)子（構(gòu)成原子核的基本粒子之一）就是電子的反粒子，不過(guò)他很快就意識(shí)到雖然質(zhì)子帶有數(shù)量與電子相等的正電荷，但質(zhì)子的質(zhì)量比電子大太多，因而它們不可能是一對(duì)粒子—反粒子。他最后的結(jié)論是一定存在一種電荷與電子相反、質(zhì)量與電子相同的新粒子——反電子（后來(lái)被更名為正電子）。這個(gè)大膽的預(yù)言立刻在物理學(xué)界掀起了軒然大波，大多數(shù)人都抱持懷疑態(tài)度，甚至有人將反粒子理論作為開(kāi)玩笑和嘲弄的對(duì)象。可出乎所有人的預(yù)料，僅僅一年之后，安德森（C.D.Anderson，1905—1991，獲一九三六年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）就在研究宇宙線（從外太空來(lái)的高能粒子）時(shí)發(fā)現(xiàn)了正電子！從此人們開(kāi)始接受反物質(zhì)的存在。狄拉克后來(lái)又進(jìn)一步預(yù)言所有的基本粒子都有與它們對(duì)應(yīng)的反粒子，比如有質(zhì)子就應(yīng)該存在反質(zhì)子。反質(zhì)子果然在一九五五年被塞格雷（Emilio Segre，1905—1989）和張伯倫（Owen Chamberlain，1920—2006）發(fā)現(xiàn)，這為他們贏得了一九五九年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
　　當(dāng)反物質(zhì)遇到物質(zhì)，比如正電子遇到電子，它們就會(huì)湮滅并釋放出能量。根據(jù)愛(ài)因斯坦的著名公式 E=mc2，即使質(zhì)量m很小，由于光速 c 的數(shù)值很大，釋放出的能量E也是極為可觀的。這就是前面提到的利比等人用反物質(zhì)來(lái)解釋通古斯大爆炸的理論基礎(chǔ)。
　　認(rèn)識(shí)到反物質(zhì)的存在，使人們對(duì)物理世界的了解向前跨出了一大步。楊振寧曾把狄拉克這一大膽的、獨(dú)創(chuàng)性的預(yù)言比之為負(fù)數(shù)的首次引入：“負(fù)數(shù)的引入擴(kuò)大并改善了我們對(duì)于整數(shù)的理解，它為整個(gè)數(shù)學(xué)奠定了基礎(chǔ)；狄拉克的預(yù)言擴(kuò)大了我們對(duì)于場(chǎng)論的理解，奠定了量子電動(dòng)場(chǎng)論的基礎(chǔ)?！钡怯幸患率冀K令物理學(xué)家們疑惑不解：按照當(dāng)下流行的大爆炸宇宙論（宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于一百五十億年前一次大爆炸后膨脹形成的），宇宙生成之初物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)是對(duì)稱(chēng)的，簡(jiǎn)單說(shuō)就是物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量在開(kāi)始時(shí)應(yīng)該一樣多。為什么我們看到的宇宙卻是一個(gè)只有物質(zhì)的宇宙？反物質(zhì)都跑到哪里去了？于是就有了各種各樣試圖解釋這個(gè)現(xiàn)象的理論。
　　
　　理論之一是，在大爆炸產(chǎn)生了我們所在的以物質(zhì)為主的宇宙時(shí)，也同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)對(duì)應(yīng)的以反物質(zhì)為主的反宇宙。這個(gè)理論基本上是無(wú)法驗(yàn)證的，因?yàn)橛钪婧头从钪媸遣宦?lián)通的。如果一定要找到某種聯(lián)通的途徑，只能是通過(guò)更高維的空間（我們生活在三維空間中）或玄之又玄的所謂“蟲(chóng)洞”。這些東西實(shí)在有點(diǎn)太過(guò)玄妙，在這里不談也罷。
　　另一個(gè)理論認(rèn)為可能存在與物質(zhì)的星云、星系等相對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)的星云、星系，它們共存于同一個(gè)宇宙中，由于相隔遙遠(yuǎn)，所以不會(huì)撞到一起而湮滅。如果真是那樣，一些來(lái)自“反世界”的反原子核就有可能飛到地球來(lái)。這些反原子核一旦與大氣層遭遇就會(huì)湮滅，所以要想探測(cè)到它們，只可能在大氣層的邊緣或之外。斯穆特（G.F.Smoot III，1945— ，獲二○○六年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）和他的同事們?cè)?jīng)用巨型氣球把探測(cè)反原子核的實(shí)驗(yàn)裝置升到大氣層的邊緣，經(jīng)過(guò)幾年的持續(xù)觀測(cè)，他們只測(cè)到了一次像是反氧原子核的實(shí)例。在運(yùn)用復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析之后，他們得出這個(gè)觀測(cè)結(jié)果的可信度為百分之七十五?？上в捎谶@只是一個(gè)再也沒(méi)能被重復(fù)的孤立事件，斯穆特等人無(wú)法據(jù)此達(dá)成任何定論。
　　按照計(jì)劃，二○一一年二月二十七日，美國(guó)的“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)將把由著名華裔物理學(xué)家丁肇中（1936— ，獲一九七六年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）主導(dǎo)研制的阿爾法磁譜儀（AMS-02）送到國(guó)際空間站。阿爾法磁譜儀的建造花了十五億美元，歷時(shí)十六年。它的兩個(gè)主要目的之一就是探測(cè)反粒子（另一個(gè)是探測(cè)暗物質(zhì)）。阿爾法磁譜儀比斯穆特的裝置不知要先進(jìn)多少倍，而對(duì)探測(cè)反粒子來(lái)說(shuō)，空間站的環(huán)境比大氣層的邊緣又要理想很多倍。這兩項(xiàng)因素加在一起，使物理學(xué)家們對(duì)它抱有很大期望。
　　對(duì)于反物質(zhì)，目前比較通行的理論（嚴(yán)格說(shuō)只能算是一種看法）認(rèn)為，宇宙生成時(shí)物質(zhì)和反物質(zhì)確實(shí)是對(duì)稱(chēng)的，但由于我們目前還不知道的機(jī)制，在宇宙發(fā)展的過(guò)程中，反物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)消失了，只剩下了物質(zhì)。歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對(duì)撞器（簡(jiǎn)稱(chēng)LHC）專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置LHCb（LHC的四個(gè)探測(cè)器之一），希望在不久的將來(lái)能解答有關(guān)反物質(zhì)的這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：在宇宙生成之初，反物質(zhì)與物質(zhì)是否真的有足夠的不同，而讓物質(zhì)在某個(gè)時(shí)間開(kāi)始贏得了主導(dǎo)權(quán)并形成我們今天看到的宇宙。LHC是集二十余國(guó)之力、耗時(shí)十多年、投資超過(guò)一百億美元建造起來(lái)的世界上最大的粒子加速器，可以說(shuō)是有史以來(lái)最龐大、最復(fù)雜的超級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置。它的主加速環(huán)就有將近二十七公里長(zhǎng)，開(kāi)動(dòng)時(shí)，其耗電量相當(dāng)于一座中等規(guī)模的城市。LHC在二○○八年開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，預(yù)計(jì)將于二○一三年達(dá)到最高設(shè)計(jì)能量。到那時(shí)，兩束被加速到99.9999991％光速的質(zhì)子將迎頭對(duì)撞，在瞬間產(chǎn)生出巨大的能量和極高的溫度，使人們能看到相當(dāng)于宇宙處于最初（即大爆炸開(kāi)始后）兩百萬(wàn)億分之一秒（5x10-15秒）時(shí)的狀態(tài)。如果那時(shí)觀察到物質(zhì)與反物質(zhì)是對(duì)稱(chēng)的，并且追蹤到其后物質(zhì)如何“戰(zhàn)勝”反物質(zhì)，物質(zhì)—反物質(zhì)之謎就能被徹底解開(kāi)了。相反，如果觀察到物質(zhì)與反物質(zhì)是不對(duì)稱(chēng)的，那就有兩種可能：其一是物質(zhì)與反物質(zhì)處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)的時(shí)間比兩百萬(wàn)億分之一秒更早，這就需要造更大的粒子加速器來(lái)驗(yàn)證。其二是目前的大爆炸宇宙論有缺陷，需要物理學(xué)家們來(lái)進(jìn)一步完善它（當(dāng)然，也沒(méi)準(zhǔn)得徹底推倒重來(lái)）。究竟會(huì)發(fā)生什么樣的情況，只有待到二○一三年分解了。