回忆人类的文明史，大部分的时刻用的仅仅人力，后来加上了畜力（牛马）、风力（风车、帆船）、水力（水车）。第一次工业革命是机械化，首要的动力变成了木材和煤炭（拜见如虚如实说 国际上有多少棵树？及如虚如实说 你对煤矿有多少了解？）。第2次工业革命是电气化，首要的动力是石油、天然气和煤炭（拜见如虚如实说 地质学之一：石油）。这些动力都是化石动力，它们的很多运用造成了严峻的环境污染，全球气候变暖，自然灾害加重。可再次出产的动力（如太阳能、风能、水力、氢能、潮汐能、温差热能等）是当今备受注重的新动力。但核能（特别是核聚变）效率高、单位体积内的包含的能量大、无污染，尽管今日占的比分还较小，还有不少问题未能处理，但未来将会成为最重要的动力之一（图1）。

  美国闻名的物理学家、未来学家加来道雄（Michio Kaku，1947—）以为把握了核聚变技能的文明仅仅“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。世界有约2万亿个星系。人类的探究之路还很长很长。

  咱们知道物质由原子组成。图2是原子的模型。原子的巨细约为10皮米（pm，）。原子是由原子核与电子组成，原子核的巨细约为1飞米（fm，），占原子分量的99.9%。电子比原子核小近2000倍，约为1阿米（am，），仅占原子分量的0.1%。

  原子核由质子与中子组成，质子带电，中子不带电，在必定的情况下两者会彼此改变。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根本粒子组成，这些粒子成对呈现且分“代”（generation）。最轻和最安稳的粒子是第一代，较重且不安稳的粒子归于第二和第三代。

  世界中所有安稳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安稳的粒子。原子中还有力载体粒子 。它们担任传递各种根本力（拜见如虚如实说丨核聚变与世界间的四个根本力）：电磁力由光子传递；强作用力由胶子传递（图2中质子与中子里边的小绷簧），它只作用在原子核里边；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取得能量。不过，科学家们现在还没找到传递引力的引力子。

  原子核带正电，电子带负电。在一般的情况下，原子核带的正电与电子带的负电彼此平衡，所以原子不带电。会不会有带负电的原子核、带正电的电子？答案是必定的，这便是反物质了。

  在地球上没有反物质。在可观测的世界中，绝大部分的物质也不是反物质。因而一向到上世纪初，科学家们都没有注意到反物质。

  （Paul Dirac, 1902年—1984年）首要猜测了反物质的存在。狄拉克的父亲是瑞士人，在英国教法文，家庭日子并不殷实。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。他的导师把他引进量子力学之门，比及28岁博士毕业时，他渐渐的变成了闻名的学者，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（拜见如虚如实说丨核聚变与世界间的四个根本力），与奥本海默（拜见如虚如实说丨什么是核聚变？终极动力会变成实际吗？和海森堡（拜见如虚如实说丨核聚变与世界间的四个根本力）是师兄弟。

  狄拉克是个特别专心的人。他用数学研讨量子力学，心无旁骛。他生性内向，常常独坐一隅，整天缄默沉静。尼尔斯说他写作慢。他说没有想好结束，写了最初也没用。狄拉克说奥本海默喜爱诗篇是个过错，科学要把杂乱的作业变得简略，而诗篇要把简略的作业变得杂乱，两者不相容。一次，他与海森堡一同从美国乘邮轮到日本开会。海森堡能言会道，喜爱找美丽的女孩子跳舞。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样知道她是好是坏？因而被报纸称为“惧怕女性的天才”。

  1937年，他与闻名的奥地利裔美国物理学家诺贝尔奖取得者尤金·维格纳（Eugene Wigner，1902年—1995年）的妹妹Margit Wigner成婚。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，因而狄拉克得以安心作业日子，平平安安地活到82岁。

  狄拉克在剑桥大学作业了多年。期间第2次国际大战迸发，他拜见了英国政府的方案“Tube Alloys Project”。英国原与美国严密协作，不过英国发展缓慢，美国爽性将其拒之门外。最终英国也未能取得打破。狄拉克晚年转到佛罗里达大学作业，还常常去各地旅行。

  狄拉克对物理学（特别是量子力学）和数学都奉献良多。今日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。我在大学的时分从前学过狄拉克函数。这个函数非常独特：只在一点上为无穷大，其它当地均为0，但它的积分为1。其时我有些猎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讨量子力学的时分提出的。狄拉克用它建立了狄拉克方程，描绘粒子运动的特征。因而，狄拉克在1934年赢得了诺贝尔物理学奖。其时他刚刚32岁。

  1995年，伦敦的威斯敏斯特教堂在紧挨着牛顿纪念碑的当地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：

  狄拉克用数学的办法猜测了反物质的存在。试验证明则归功于加州理工学院的研讨生卡尔·安德森（Carl Anderson，1905年—1991年）。安德森的导师是取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讨根本粒子。其时科学家们现已知道原子核由多种根本粒子组成（图2）。发现新的粒子就能名扬天下，取得诺贝尔奖。此刻安德森的师兄华裔学者赵忠尧（Chung-Yao Chao，1902年—1998年）现已研讨原子核多年，建立了一套检测粒子的试验办法。安德森用这套办法发现了世界射线中的正电子。他写信给正在欧洲讲学的密里根，密里根以为那可能是一种新的粒子，叫他再做些试验。安德森不予理睬，直接把文章宣布。后来证明试验结果与狄拉克的核算共同。安德森因而取得了1936年的诺贝尔物理学奖。赵忠尧则坐失良机。后来安德森发现了一个粒子：超重版的电子—μ子（muon）（图2）。赵忠尧回到我国在清华大学任教。

  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，科学家们可以便利的生成正电子。后来科学家们连续发现了带负电的质子。不过，完好的反物质则是在60多年后才生成出来的。

  图5，在瑞士—法国边境的欧洲原子能研讨中心具有国际上最大的原子能加速器，周长27千米

  图6，德国科学家Walter Oelert及其团队做出第一个反物质：反氢

  反物质是由反粒子（包含正电子、负质子等）组成的物质。反粒子与一般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）。反物质与世界间的四个根本力（拜见如虚如实说丨核聚变与世界间的四个根本力）的联系和一般物质非常相似。例如，将原子核结合在一同的强作用力也会将反物质的原子核结合在一同。相同，操控带电粒子行为的电磁力也操控带电反粒子的行为。可是当反物质遇到一般物质时就会在百分之一秒钟内合二为一，质量荡然无存，一起依照爱因斯坦那个闻名的方程“E=mc²”释放出能量。为啥说反物质是终极燃料呢？在铀的核裂变时，只要0.1%的质量转化成能量。在氢核聚变时，只要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。

  不过要运用反物质来做动力还有许多问题有待处理。首要是生成反物质。地球上不存在反物质。要生成反物质必定要运用粒子对撞机。从1996年至今，欧洲原子能研讨中心那个粒子对撞机发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，反物质有必要储存在挨近绝对零度的低温下（拜见「如虚如实说」 温度四讲之一：温度的丈量与规范），不然就会立刻与其它物质结合，在爆炸中荡然无存。故此至今科学家们还没有用反物质来做动力的方案。

  不过，反物质技能已在咱们身边得到了运用，那便是正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）。PET 技能要追溯到约里奥-居里配偶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技能是将正电子放射性同位素（现在常用的是氟(18F)脱氧葡萄糖，Fludeoxyglucose F18，简称FDG）经过静脉注射到血液中，FDG随血液流到身体的遍地，期间不断释放出正电子。当这些正电子与附近原子中的电子触摸时会发生伽马射线。PET扫描仪检测出这些伽马射线，并核算出它们在身体的部位，据此可生成一系列图画（图8），这些图画运用不相同的色彩或亮度来显现分子随时刻改变的浓度和方位，从而核算出人体的细胞组成、代谢进程、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%，对人体的影响很小。

  今日PET—CT已成为临床医学和科学研讨的重要东西。在临床医学上，PET–CT用于确诊癌症、心脏病及脑部疾病。在科学研讨上，PET—CT用于研讨人类大脑、心肺功能及药物开发等。各大医院都少不了它（图9）。

  最终还要一提的是咱们我国也有粒子对撞机。我国的粒子对撞机是周恩来总理（1898年—1976年）特批的（图10）。它坐落北京，建成于1988年。尽管不大，但却是我国第一个大科学项目（图10）。