米乐m6官网核聚变与反物质回顾人类的文明史，大部分的时间用的只是人力，后来加上了畜力（牛马）、风力（风车、风帆）、水力（水车）。第一次工业是机械化，主要的能源变成了木材和煤炭（参见如虚如实说 世界上有多少棵树？及如虚如实说 你对煤矿有多少了解？）。第二次工业是电气化，主要的能源是石油、天然气和煤炭（参见如虚如实说 地质学之一：石油）。这些能源都是化石能源，它们的大量使用造成了严重的环境污染，全球气候变暖，自然灾害加剧。可再生能源（如太阳能、风能、水力、氢能、潮汐能、温差热能等）是当今备受重视的新能源。但核能（特别是核聚变）效率高、能量密度大、无污染，虽然今天占的比分还较小，还有不少问题未能解决，但未来将会成为最重要的能源之一（图1）。

　　美国著名的物理学家、未来学家加来道雄（Michio Kaku，1947—）认为掌握了核聚变技术的文明只是“文明1.0”。据此人类可以飞出太阳系，但离飞出银河星系还差很远。宇宙有约2万亿个星系。人类的探索之路还很长很长米乐m6官网。

　　我们知道物质由原子组成。图2是原子的模型。原子的大小约为10皮米（pm，）。原子是由原子核与电子组成，原子核的大小约为1飞米（fm，），占原子重量的99.9%。电子比原子核小近2000倍，约为1阿米（am，），仅占原子重量的0.1%。

　　原子核由质子与中子组成，质子带电，中子不带电，在一定的情况下两者会互相转变。质子与中子都是由夸克组成的，它们又称之为重子（图2中紫色部分）。电子与中微子是轻子（图2中绿色部分）。电子带电，中微子不带电。夸克与轻子各由六种基本粒子组成，这些粒子成对出现且分“代”（generation）。最轻和最稳定的粒子是第一代，较重且不稳定的粒子属于第二和第三代。

　　宇宙中所有稳定的物质都由第一代的粒子组成的，任何更重的粒子都会迅速地衰变为更稳定的粒子。原子中还有力载体粒子 。它们负责传递各种基本力（参见如虚如实说丨核聚变与宇宙间的四个基本力）：电磁力由光子传递；强作用力由胶子传递（图2中质子与中子里面的小弹簧），它只作用在原子核里面；弱作用力由W和Z两种玻色子传递，它们会影响电子与中微子。还有希格斯粒子，它使得没有质量的粒子获得能量。不过，科学家们目前还没有找到传递引力的引力子米乐m6官网。

　　原子核带正电，电子带负电。在正常情况下，原子核带的正电与电子带的负电相互平衡，所以原子不带电。会不会有带负电的原子核、带正电的电子？答案是肯定的，这就是反物质了。

　　在地球上没有反物质。在可观测的宇宙中，绝大部分的物质也不是反物质。因此一直到上世纪初，科学家们都没有注意到反物质。

　　（Paul Dirac, 1902年—1984年）首先预测了反物质的存在。狄拉克的父亲是瑞士人，在英国教法文，家庭生活并不富裕。狄拉克在家中的四个孩子中排行第三。他自幼聪明过人，在布里斯托大学毕业后考取了奖学金到剑桥大学读博士。他的导师把他引入量子力学之门，等到28岁博士毕业时，他已经成为著名的学者，而他的导师成了台下的听众。接着，他到哥本哈根师从尼尔斯·波尔（参见如虚如实说丨核聚变与宇宙间的四个基本力），与奥本海默（参见如虚如实说丨什么是核聚变？终极能源会变成现实吗？和海森堡（参见如虚如实说丨核聚变与宇宙间的四个基本力）是师兄弟。

　　狄拉克是个特别专注的人。他用数学研究量子力学，心无旁骛。他生性内向，经常独坐一隅，终日沉默。尼尔斯说他写作慢。他说没有想好结尾，写了开头也没用。狄拉克说奥本海默喜欢诗歌是个错误，科学要把复杂的事情变得简单，而诗歌要把简单的事情变得复杂，两者不相容。一次，他与海森堡一起从美国乘邮轮到日本开会。海森堡能言会道，喜欢找漂亮的女孩子跳舞。狄拉克问海森堡为什么去跳舞，海森堡说跳舞可以结识一些好的女孩子。狄拉克说你不认识她怎么知道她是好是坏？因此被报纸称为“害怕女人的天才”。

　　1937年，他与著名的奥地利裔美国物理学家诺贝尔奖获得者尤金·维格纳（Eugene Wigner，1902年—1995年）的妹妹Margit Wigner结婚。Margit Wigner与前夫有两个女儿，狄拉克视为己出。两人有两个女儿，也都健康成长。Margit悉心照料狄拉克的起居，因此狄拉克得以安心工作生活，平平安安地活到82岁。

　　狄拉克在剑桥大学工作了多年。期间第二次世界大战爆发，他参见了英国政府的计划“Tube Alloys Project”。英国原与美国紧密合作，不过英国进展缓慢，美国干脆将其拒之门外。最后英国也未能取得突破。狄拉克晚年转到佛罗里达大学工作，还经常去各地旅游。

　　狄拉克对物理学（特别是量子力学）和数学都贡献良多。今天用狄拉克命名的东西有不少，例如狄拉克函数、狄拉克方程、狄拉克场等等。我在大学的时候曾经学过狄拉克函数。这个函数十分奇特：只在一点上为无穷大，地方均为0，但它的积分为1。当时我有些好奇狄拉克是怎样想到的。后来书读多了才知道这是狄拉克在研究量子力学的时候提出的米乐m6官网。狄拉克用它建立了狄拉克方程，描述粒子运动的特征。因此，狄拉克在1934年赢得了诺贝尔物理学奖。当时他刚刚32岁。

　　1995年，伦敦的威斯敏斯特教堂在紧挨着牛顿纪念碑的地方举行了狄拉克纪念碑的揭幕典礼，纪念碑上刻着狄拉克预言反物质存在的方程：

　　狄拉克用数学的方法预测了反物质的存在。实验证明则归功于加州理工学院的研究生卡尔·安德森（Carl Anderson，1905年—1991年）米乐m6米乐m6。安德森的导师是获得诺贝尔奖的加州理工学院校长罗伯特·密里根（Robert Millikan，1868年—1953年）。

　　密里根指示安德森研究基本粒子。当时科学家们已经知道原子核由多种基本粒子组成（图2）。发现新的粒子就能名扬天下，获得诺贝尔奖。此时安德森的师兄华裔学者赵忠尧（Chung-Yao Chao，1902年—1998年）已经研究原子核多年，建立了一套检测粒子的实验方法。安德森用这套方法发现了宇宙射线中的正电子。他写信给正在欧洲讲学的密里根，密里根认为那可能是一种新的粒子，叫他再做些实验。安德森不予理会，直接把文章发表。后来证明实验结果与狄拉克的计算一致。安德森因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。赵忠尧则失之交臂。后来安德森发现了一个粒子：超重版的电子—μ子（muon）（图2）。赵忠尧回到中国在清华大学任教。

　　1934年，弗雷德里克·约里奥-居里和他的妻子伊蕾娜·约里奥-居里（Frédéric and Irène Joliot-Curie）发现了一种只发射正电子的放射性物质。从此，科学家们能够方便的生成正电子。后来科学家们陆续发现了带负电的质子。不过，完整的反物质则是在60多年后才生成出来的。

　　反物质是由反粒子（包括正电子、负质子等）组成的物质。反粒子与普通物质的粒子具有相同的质量，但带有相反的电荷（反物质的电子带正电，质子带负电）。反物质与宇宙间的四个基本力（参见如虚如实说丨核聚变与宇宙间的四个基本力）的关系和普通物质十分相似。例如，将原子核结合在一起的强作用力也会将反物质的原子核结合在一起。同样，控制带电粒子行为的电磁力也控制带电反粒子的行为。但是当反物质遇到普通物质时就会在百分之一秒钟内合二为一，质量化为乌有，同时按照爱因斯坦那个著名的方程“E=mc²”释放出能量。为什么说反物质是终极燃料呢？在铀的核裂变时，只有0.1%的质量转化成能量。在氢核聚变时，只有0.56%的质量转化成能量。而反物质与物质相结合时100%的质量将转化成能量！其威力之大可想而知。

　　不过要利用反物质来做能源还有许多问题有待解决。首先是生成反物质。地球上不存在反物质。要生成反物质必须使用粒子对撞机。从1996年至今，欧洲原子能研究中心那个粒子对撞机产生的反物质总量不到10毫微克（），所含的能量仅能为一个60瓦的灯泡供电4小时。此外，反物质必须储存在接近绝对零度的低温下（参见「如虚如实说」 温度四讲之一：温度的测量与标准），否则就会马上与物质结合，在爆炸中化为乌有。故此至今科学家们还没有用反物质来做能源的计划。

　　不过，反物质技术已经在我们身边得到了应用，那就是正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）。PET 技术要追溯到约里奥-居里夫妇发现的正电子放射性同位素。

　　1973 年，美国放射学家Michel Ter-Pogossian（1925年—1996年）开发出了第一台 PET 扫描仪（PET—CT），并用于大脑成像（图7）。PET—CT技术是将正电子放射性同位素（目前常用的是氟(18F)脱氧葡萄糖，Fludeoxyglucose F18，简称FDG）通过静脉注射到血液中，FDG随血液流到身体的各处，期间不断释放出正电子。当这些正电子与邻近原子中的电子接触时会产生伽马射线。PET扫描仪检测出这些伽马射线，并计算出它们在身体的部位，据此可生成一系列图像（图8）米乐m6，这些图像使用不同的颜色或亮度来显示分子随时间变化的浓度和位置，进而计算出的细胞组成、代谢过程、血流等。FDG的衰减得很快，16 分钟内会衰减20%，110 分钟会衰减70%，对的影响很小。

　　今天PET—CT已成为临床医学和科学研究的重要工具。在临床医学上，PET–CT用于诊断癌症、心脏病及脑部疾病。在科学研究上，PET—CT用于研究人类大脑、心肺功能及药物开发等。各大医院都少不了它（图9）。

　　最后还要一提的是我们中国也有粒子对撞机。中国的粒子对撞机是周恩来总理（1898年—1976年）特批的（图10）。它位于北京，建成于1988年。虽然不大，但却是中国第一个大科学项目（图10）。