弗兰克·克洛斯（Frank Close），英国牛津大学物理学教授，埃克塞特大学研究员。他曾任英国科学促进会副会长和卢瑟福•阿普尔顿实验室理论物理学部主任，还担任过欧洲核子研究中心公共教育和通讯部主任。他曾荣获大英帝国官佐勋章（OBE）。因在促进公众对物理学的理解和科普写作方面的突出贡献，他获得了英国物理学会的开尔文奖、英国媒体评出的2007年科普写作奖。他还著有《路西法的遗产》《奥德赛粒子》《虚空》等科普图书。

黑洞、弯曲时空、奇异粒子、超弦理论……物理学领域所有令人费解的发现中，反物质的存在无疑是相当神奇的一个，也向科幻作家们开启了广阔的创作空间。牛津大学物理学教授弗兰克·克洛斯的《反物质》就是一本关于反物质相关知识的简明读本。弗兰克以通古斯爆炸之谜和丹·布朗小说中的反物质炸弹为切入点，结合原子层面的物质构成、电子运动状态、反粒子的特性等科学现象及实验，用通俗的语言介绍了人类对反物质逐步深入的研究历程，让读者能清楚地了解反物质的存在、产生、湮灭以及对反物质的存储、利用和相应的影响等科学知识，是一本通俗易懂的反物质科普图书。

媒体推荐

这是一本科学爱好者和科幻小说迷们不可不看的作品。

                                                ——约翰·格里宾 BBC《焦点》杂志

反物质在普通人的印象中是相当奇特的，通过阅读弗兰克的这本内容紧凑、丰富的书，我们对它的概念就不会那么模糊不清了。                                ——Seed杂志

    对于那些希望了解有形世界的另一面的人来说，这本书清晰地描绘出了那一方奇异的境界。                                                   ——《月球与行星信息公告》

网友推荐

作者在书中做了一个很有趣的思想实验：假如我们旅行到一个遥远的星球，你不知道这个星球是由物质还是反物质构成的，那么你应该怎样跟这个星球的外星人进行交流，以确定你登陆这个星球时不会造成“人星两毁”的悲剧呢？很有趣。            ——豆瓣网读者

反物质：真实或者虚幻

……无坚不摧的力遇到坚不可摧的体——这是一种无限的概念：当两个无限相比较时，哲学家们对这种悖论也十分恼火，只能说：“我的无限比你的无限更大”。然而，这里用来比较的东西是其他的物质，准确地说是所谓的反物质。科幻小说作家对反物质可谓青睐有加，认为它是一种真实存在，而其中的内涵妙不可言。

反物质是物质的一种奇怪的颠倒影像，就像我们所说的半斤八两，只是其中的左变成了右，而正变成了负。就像铸件取出之后模具依然存在，反物质和物质就是实体的阴阳两面。当海边的孩童在坚固的沙滩上挖洞取沙，堆砌成美丽的沙堡，这个沙堡就象征着物质，而沙滩上留下的沙洞象征着反物质。

假设，一个物质存在突然遇到了自己的反物质，它们的参数是完全互补的，最终会相互协调然后消亡。反物质的魅力就在于，它会在一瞬间摧毁物质。反物质顾名思义，真的可以“反”物质。

在80年前，反物质理论被第一次提出。而在75年前，第一个反物质被发现了，那就是“正电子”。

值得庆幸的是，反物质极其罕见，在现实中几乎不存在，而微量的反物质摧毁物质时，反物质本身也被摧毁了。所以我们今天还快乐地生活在这地球上。人们发现的首个反物质，只是摧毁了一个原子里的某个电子而已。我们所见的整个宇宙之中，通常存在的都是物质而非反物质。看起来，反物质似乎在大爆炸初期就被消灭掉了。经过长期的物质与反物质的湮灭之后，剩下的残余部分才形成了今天的物质宇宙。而湮灭的结果就是之后140亿年中遍布宇宙的电磁辐射和“微波本底辐射”。坏女巫死了，物质获胜了；在物质和反物质这两种势均力敌的无限之中，物质的无限更大。

但要是有些反物质逃过一劫，在宇宙的某个角落里潜伏着，又恰恰被在宇宙中漫游的我们遇到了；抑或是宇宙射线鬼使神差地又形成了一些反物质：会发生什么事情呢？一辆卡车大小的反物质，其爆炸威力足以使整个世界动摇。如果真的发生了，反物质就成了我父亲那个问题的真实例子，但是还好它不会扩散，虽然我曾经一度非常担心它有这种能力。反物质确实会摧毁物质，但代价是同时摧毁自己；就像癌细胞，杀死了宿主之后自己也会死亡。我们世界中任何物质的湮灭，都会对应着相同量反物质的消失。湮灭的结果可能是一束射线，也许是伽马射线，从湮灭处以光速向外发射，而反物质的威胁就此解除了。这就是为什么没有反物质存留——至少我们周围没有——的原因：所有的反物质都被摧毁了，获胜的是物质一方。

所以反物质并不是一个恐怖版本的“九号冰（ice-nine）”，这种冰来自库特·冯尼古特（Kurt Vonnegut）的小说《猫的摇篮》（Cat’s Cradle），是一种水的形态，它会将遇到的所有液体变成凝冻的固态。小说中它能够首先作用于一个小水坑，接着是小溪、河流，最后将整个世界的海洋都凝冻成“一个巨大的果冻”。而反物质的作用范围是有限的。虽然如此，它会摧毁所接触的任何物质，爆炸释放出的能量远超出我们现有的任何东西。

反物质会撞上地球吗

如果在宇宙的某个角落存在着反物质，那么你可能会想，某天它会不会撞上地球。如果在地球的40亿年历史中，曾经有反物质撞上过，那么所有的迹象都应该已经消失了。陨石落下会有陨石坑，其中还能找到一些外星物质；但是反物质不行，它会在一瞬间消失掉。

反物质来袭的唯一证据只能是其发生的巨大爆炸，但最近的几百万年以来似乎没有发现这种证据。然而，仅仅在一百多年前的1908年6月，发生了一件人类至今无法完全解释的事情，其被反物质爱好者们称为是外星反物质碰撞地球的最近的例子。

在莫斯科以东约1000千米处，北至北冰洋，南至蒙古，从乌拉尔到满洲里，是一片广袤的荒野之地，面积比整个西欧还大。这片遥远大陆的心脏地带是一条隐蔽的河谷——通古斯河，由通古斯人命名。

通古斯人是一个小族群，主要靠狩猎熊和鹿以及夏季放牧驯鹿为生。1908年6月30日，天空晴好，万里无云。早上8时，农民色梅洛夫正坐在他家的走廊上，突然天空中发生了一场巨大的爆炸。后来他告诉科学家，爆炸形成的火球光亮甚至盖过了太阳，而且又是如此炙热以至于他的衣服“几乎要贴着皮肤燃烧起来”，还将他邻居家的银器熔化了。更异常的是，经过科学家之后的调查，这次爆炸发生在距色梅洛夫约60千米之外。另一个农民利奇说，有一个巨大的火球“摧毁了森林、驯鹿和所有其他动物”。当他和邻居们跑去勘查时，发现驯鹿的一些肢体烧焦了，而其他部分居然完全不见了。

这个炫目的火球在几秒钟之间从东南部移动到了西北部。世界各处都探测到了其引发的震波，空气中的压力波传遍了整个俄罗斯和欧洲。在700千米以外都能看到这次爆炸，其引起的烟尘弥漫在空中，甚至导致太阳光散射到地球的另一面。在约1/4个地球周长之外的伦敦，半夜的天空变得像傍晚一样明亮，而白天则提前来临了。如果这次爆炸发生在美国的芝加哥上空，其光亮可以传播到田纳西、宾夕法尼亚以及多伦多，而发出的声音可以传到东海岸，而向南可以传到亚特兰大，向西可以传到落基山脉。直到两个月后，一切才基本恢复正常。

外太空的某种东西撞上了大气层。之前也发生过类似的事情，亚利桑那州的陨石坑可以证明这一点，它源自一块岩石——准确的说是一颗小行星撞上了地球。然而，著名的通古斯事件却不同，这种不同在其后数年被发掘出来。1927年，捷克斯洛伐克科学家库里克带领首个探险队进入了这片区域。如果这是一个太阳系的陨石碰撞事件，那么地面上应该有一些陨石掉下的痕迹。但是，现场没有发现任何陨石坑。他们发现，爆炸点的下方是一片巨大的沼泽平原，就像是有1000台推土机瞬间清理了上面的森林，形成了如同伦敦大小的一片平整的地基，而地基的周围是一个环形的炭化的树木群。在炭化群之外，树木像火柴棍一样地散开倒下，应该是被剧烈的飓风似的冲击波刮倒了。该地的生命体完全被摧毁，之后约1/4个世纪一直没能恢复。在此之后，人们曾将当地的土壤挖掘了超过30米深，但是没有找到任何陨石，也没有发现任何陨石落下来的证据。

那些当天撞上地球的东西，都在这薄薄的空气层中消失了。1965年，由一位物理学家、一位化学家、一位地质学家组成的三人小组检查了所有的证据，试图一劳永逸地判定当时到底发生了什么。他们找到了幸存的一些树木，其姿势很好地显示了当时冲击波袭来的轨迹。他们通过这些推算出了风的强度；同时核证，使得能让这些树木燃烧所需要的能量也被计算出来。根据记录，他们还发现地磁场被干扰了，而地震仪也记录下了其引发的地震强度。

他们拿到了爆炸当时的闪光强度和持续时间的报告，并将其引入计算模型之中。通过推算，这次爆炸在数秒之内释放了约1000万亿焦耳的能量，和整个英国一小时消耗的能源量相当，几乎等同于一次核爆炸。

当然，有人怀疑这次事件本身就是一次人为的核爆炸实验，但在1908年时，很多众所周知的核科学家还没有出生呢。如果真的是物质的内核发生了爆炸，那么必须有一些自然的诱因才行。通过分析爆炸得到的初步证据以及爆炸区域物质的神奇消失现象，和一种假设非常一致：罪魁祸首是一个反物质，其形态大约是1米见方的一块反岩石，它摧毁了包括原子核在内的一些东西。之后的内容中，在我们知道了反物质的一些性质后，我会再次重新审视这些证据。

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1 反物质：真实或者虚幻

1.1　反物质会撞上地球吗

1.2　强大的反物质

1.3　反物质的秘密

1.4　天然反物质

2 物质的世界

2.1　物质和反物质

2.2　光谱和量子电子

2.3　自旋的电子

2.4　E代表爱因斯坦，并且E=mc2

3 石碑

3.1　保罗·狄拉克

3.2　合二为一

3.3　无限海洋

3.4　什么是正的电子

4 宇宙新发现

4.1　发现正电子

4.2　布莱克特的创造

4.3　地球上的正电子

5 湮灭

5.1　既非物质亦非反物质

5.2　更多反粒子

5.3　夸克和反夸克

5.4　夸克遇上反夸克

6 储存反物质

6.1　无坚不摧

6.2　储存反质子

6.3　潘宁陷阱

6.4　陷阱中的反质子

6.5　反氢和反物质工厂

6.6　正负电子对撞机

7 镜像宇宙

7.1　时光倒流？

7.2　奇异粒子的奇异行为

7.3　不要和反外星人握手

8 万事万物如何存在

8.1　反物质消失之谜

8.2　重演大爆炸

8.3　中微子

8.4　并不完美的启示录

9 揭秘

9.1　反物质迷信

9.2　反物质的威力

9.3　大块反物质

9.4　炫酷的反物质炸弹

9.5　反物质：勇往直前

9.6　反物质：从科幻到现实

9.7　反物质工厂

附录

附录 1　反物质的代价

附录 2　狄拉克密码

尾注

书目