阿宅物理第2話——正反物質湮滅與陽電子砲

（原文同步刊載於泛科學）

         前一回，我們討論了第十二使徒製造的狄拉克海[1]與反物質——但仍存在未解的謎題：為什麼四號機啟動 $S^2$機關發生意外後，狄拉克海會讓整個「聯合國直屬特務機關NERV第二支部」及23778平方公里的內華達州消失呢？為了解釋這個現象、並滿足內心的阿宅魂，我們得更深入地從反物質的特性開始探索……

        假設，我們對狄拉克海裡能量為$-E$的電子施予$2E$的能量，使它的能量增加到$+E$，如下圖：

原本空無一物（負能量的狄拉克海我們看不到）
→ 能量-E的電子得到2E，變成帶能量E，並遺留能量-E的空洞

依上篇文章所述，狄拉克海裡的空洞，我們看起來會是正能量的反粒子——故事還沒結束！因為電子帶負電，一旦海裡少了電子的負電，我們只會覺得是多出了正電（請記住，減掉-1會等於加上+1）。換言之，只要是帶電的粒子，它的反粒子永遠都是持相反電荷！同時，根據之前的方程式 $E^2-m^2 c^4=p^2 c^2$，不管是正能量抑或負能量的解，都是共用同一個 $m$ ，也就是說，粒子與其反粒子帶有相同質量。

        現在總結一下：我們給予了 $2E$ 的能量，不但得到一個能量 $E$、帶負電的電子（右圖上方的藍點），還附送能量 $E$ 且帶正電的反電子（又稱為正子，右圖下方海裡的空洞），天底下有這麼好康的事嗎？物理學家告訴你，不但有，還一定必須如此——我們付出兩單位能量，也收穫兩單位能量，這個過程遵守能量守恆定律；原本的狄拉克海我們看不到電荷，現在則有了一正一負的電荷，總電荷保持不變，遵守了電荷守恆定律。[2]

        不過，就像精彩的電影總要留伏筆，上述故事也暗示了驚人的事實：能量可以憑空產生一對正反粒子！我們或許聽說過原子彈的原理，就是利用愛因斯坦的著名公式 $E=mc^2$（能量$=$質量×光速平方），將質量轉換成巨大的爆炸能量；反過來說，其實能量也可以轉換成質量（只不過，能量 $E$ 至少要等於產生的粒子質量 $m$ 乘上 $c^2$ 才行），就像我們剛才把能量換成一對正反電子——質量與能量間可以互相轉換。喔～傑克，這真是太神奇了！

        最後，作為故事的結局，所有粒子都有相應的反粒子——它們在反物質的世界都有自己的雙胞胎同伴。只不過，有些粒子獨來獨往慣了，不喜歡有另一個自己——它要當自己的反粒子。以光為例，我們把組成光的粒子稱為光子（photon），它是自己的反粒子、一人分飾兩角。日常生活中，這其實也並不那麼難理解，例如：

典型的亦正亦反：布袋戲裡的黑白郎君
 （出處：天地風雲錄之魔戮血戰第34集）

        至於四號機啟動 $S^2$機關，和NERV第二支部的消失，究竟又跟前面所述有什麼關係？根據狄拉克海的示意圖，試著想像：當能量 $E$ 的電子（除了動能外，電子的質量也算在能量 $E$ 裡面），回到海洋的空洞中會發生什麼事呢？沒錯，我們會觀察到電子與正子相結合、消失、並釋放出 $2E$ 的能量——這也就暗示NERV第二支部的命運了。我們肉眼所見的所有物體都是由原子構成，原子又包含了原子核（由質子和中子組成）與環繞其外的電子。當質子、中子和電子與它們的反粒子相遇，大多數都成了能量、以光的形式散發；少部份則透過更複雜的作用轉變成其他諸多粒子——無論如何，都不會是原本的物體型態。換句話說，聯合國直屬特務機關NERV第二支部，及23778平方公里的內華達州，已經完全消散在世界中，並留存在我們心底。物理上，我們將此慘絕人寰事件正反粒子結合並產生光或其他粒子的過程稱為湮滅（annihilation），跟蘇軾念奴嬌（赤壁懷古）「檣櫓灰飛煙滅」的煙滅不是同一件事 [3]。如果各位常接觸日系科幻動漫、電玩，可能曾看過「陽電子砲」一詞，顧名思義，即為以發射陽電子（正子的日文用法）作為攻擊手段；而一旦被大量的正子打中，下場怕是相當悽慘（很恐怖，不要問）。

＜新世紀福音戰士＞裡的陽電子砲（出處：TV版第6話）

        But！人生最厲害就是這個But！既然宇宙中有粒子組成的物質、也有反粒子組成的反物質，閒不下來的努力不懈、懷抱著好奇心與求知慾的科學家便不禁要提出疑問：「這樣的話，為什麼我們的世界幾乎都是由物質組成的呢？而反物質卻如此稀少（有見過的朋友請舉手）？」對此，有幾種可能的解釋：

一、或許在宇宙其他角落，有著由反物質組成的世界。然而，根據天文學的觀測，目前我們並沒有發現這樣的證據。

二、宇宙誕生的時候，物質就是比反物質要多一點。而當大部分的正、反物質湮滅之後，剩下的就是我們今日所看到的宇宙——幾乎由物質組成，反物質只在非常稀少的狀況下得見。

三、宇宙最初擁有同樣數量的正、反物質，但是在成長的過程中，因為一些特殊的條件與作用，使得物質在某個時期產生得比反物質來得多，以致於形成我們現在的物質宇宙。

四、其他。等你來作答！

物質與反物質湮滅並產生光子

 （圖片來源：奧勒岡大學課程網頁）

很顯然的，這個問題的答案，將可以更幫助我們理解宇宙的生成與發展。現已有許多學者致力於提出可靠的理論，希冀能解決這個問題。而我們也將第三點裡，產生物質多於反物質的過程，分別稱為 baryogenesis（暫譯：重子始源）與 leptogenesis（暫譯：輕子始源）。至於，為什麼分成這兩個名稱？重子與輕子又為何？這就要從物質的結構說起。讓我們休息片刻，晚點為您揭露。不要走開，馬上回來！

註釋：
[1] 動畫＜新世紀福音戰士（Neon Genesis Evangelion）＞的劇情。
[2] 能量守恆定律告訴我們，能量不能憑空產生或消滅，只能在不同形式間轉換；電荷守恆定律則說，電荷不能憑空產生或消滅，正負電荷的總和永遠必須一致。所以在我們的例子裡，正電和負電得要同時出現。
[3] 這裡必須強調，狄拉克海雖是容易理解的圖像，但因一些細節問題，在理論上我們已不再使用狄拉克海的詮釋。

參考資料：
David Griffiths (1987) Introduction to Elementary Particles