数学和物理学的关系非常密切，它们两个就像在一个屋檐下住了很多年的老朋友，物理学的定律需要数学来描述，比如大家都知道的——E=MC²，物理学的问题也需要通过数学计算来解答，比如彗星多长时间造访一次地球，这就好像英语是莎士比亚的语言，而数学是物理学的语言，如果说你不懂数学，你就会觉得阅读物理学家写出来的东西是非常痛苦的事，当然也有一类人，他真的不懂数学，又喜欢对物理学上的问题侃侃而谈。
从另一个方面来说，物理学也使数学变得更有用，如果说没有物理学数学将仅仅设计抽象的概念，比如说虚数，物理学还能激发数学家去探索新的数学问题，比如说弦理论是物理学终极理论的一个备选，它的发展就为数学领域注入了很多新的见解，有的时候直觉会成为我们理解物理世界的障碍，这时候我们最好就去求助于数学的引导，所以当我们试图理解量子粒子的怪异行为的时候，数学就成了我们的救星，在这些情况下我们能做的就是跟着数学走，只要你把数字都算对了，就可以相信数学会比直觉更接近现实，在直觉上可能觉得量子粒子不可能穿越障碍，但如果数学上讲的通，那么这些就是可能发生的事，但是事情也不总是这样，有时候数学与此的结果不符合物理学的理论，这个时候我们就不能单纯的依靠数学的了。
举例说明：
投递一个以抛物线形式投射的系统，那么要多快的速度发射一个物体，才能让它们沿着抛物线轨迹落在指定的位置呢？
要计算这个问题，需要求解一个二次方程，这个方程的形式就类似于y=ax²+bx+c，因为这个方程里有一个x²，所以会得到两个解，这两个解呢，有一个是物理解，它会告诉你怎样发射这个物体，而另一个解给出的却是毫无意义的答案，它会告诉你，你的初始速度应该是负的，也就是说你要把这个物体向后直接往地里扔，那这个解在数学上是正确的，但它是不合乎常理的物理解，这种情况之所以会出现，是因为数学模型没有设置物理约束，比如说物体没法穿越坚固的地面，再反过来说，你抛射的物体可能在天空中碎成块，造成安全隐患，这些也没有体现在数学模型中。
在大多数情况下，聪明的物理学家很快就可以选出它们需要，它们对这种事也算是习以为常了，他们会马上丢掉在物理上讲不通的数学结果，因为我们眼中的宇宙不是那个样的，可是刚才说过的这些话，仔细一想，其实它是矛盾的，一开始既说看待物理不能相信直觉，要相信数学，然后又说当有两个解的情况下，我们要抛弃那个不符合直觉的解，这两个事不是矛盾的吗？这个就是本文要说的，聊一聊，复数的解，怎样让人们发现了反粒子和反物质，今天的故事从“保罗·狄拉克”说起。
这位物理学家为了了解量子力学中高速运动的电子，对一些方程式进行了研究，在狄拉克之前，在量子力学这个领域，物理学家已经整理出了低速运动的电子方程，在20世纪初量子力学的革命性成就就已经让人脑洞大开了，人们由此重新思考物质在最小尺度上的自然属性，量子力学，迫使物理学家放弃了他们一直以来最简单最根深蒂固的假设，这个假设有两条：
第1条：事物不能同时出现在两个地方。
第2条：精确重复两次同样的实验应该出现相同的结果。
通过推翻这种经典的假设，20世纪初的物理学家就彻底改变了我们的宇宙观，而且这样的改变还不止一次，除了量子力学的哲学狂想之外，这个时期还出现了相对论革命，相对论证明了宇宙的速度极限，人们忽然发现时间居然是相对的，几个不同的人竟然有可能没法就同一件事儿发生的情况达成一致，狄拉克就仔细观察了这两个数学结果，它们正确描述了两种不可思议的物理学理论，他问自己如果把它们结合在一起会怎么样呢？于是他就建立了一个方程，这个方程的名字就叫——狄拉克方程。
这个方程就以量子力学和相对论的双重角度描述了高速运动的电子，这个方程非常简洁而且清晰，只是它存在一个小问题，狄拉克发现它的方程对待负电荷的普通电子是成立的，同时它对带有相反电荷也就是正电荷的电子也成立，这也就是说它的方程表明物理学的定律对带有正电荷的电磁它也是成立的，它将这种正电子成为——反电子。
这种反电子在很多方面都和电子一样，它的质量和普通电子相同，量子特性也和普通的电子相同，但是它的电荷和普通电子相反，这个就让人有些迷惑不解了，因为人们从来没有见过这样的粒子，按照物理学家的常规做法，有人就可能倾向把这个结果归为一种数学假象，认为应当忽略它，但是这个引起了狄拉克的极大兴趣，如果这不仅仅是数学出现的错误而是现实情况的反应，毕竟没有哪条物理学定律禁止反电子的存在。
事实上，狄拉克审视了这个方程并提出所有粒子都具有相应的反粒子，就这样狄拉克不止预测了一种新粒子，他还预测了整整一系列的新粒子，表面上看这种想法有点疯狂，每一种粒子都有相反的版本，这样的想法虽然非常疯狂，但是他碰见还就真是对的。
事实上科学家已经多次观察到了反粒子，就在狄拉克提出这个想法不久之后，反电子就被探测到了，如今几乎每一种我们知道的带电粒子都被证实拥有反粒子，反粒子很容易在粒子碰撞中出现，欧洲有一个核子研究组织叫——CERN，每年都有几皮克的反粒子被创造出来，这个皮克是一个非常小的单位，来自太空的宇宙射线有时候也会携带反粒子，有时会在和大气相撞的时候产生一些反粒子，但是这些反粒子只在转瞬之间就又都消失了。
反粒子在最小尺度上体现了物理学中的对称，把粒子、反粒子想象成硬币的正反两面，不要认为它们是两个互不相关的东西，其实宇宙中的一个粒子不只拥有一位亲兄弟，每一个物质粒子都有两个更重的表亲，比如说电子有——缪子和陶子，它们与电子有着几乎相同的量子特性，也就是电荷和自旋，但是质量更大，电子已经有好几位亲戚了，它既有比较重的表亲又有反粒子，而且这些比较重的表亲，当然也有它们自己的反粒子。
还有一种更神奇的解释，有一种超对称的猜测提出粒子还有第3种镜像叫——超粒子。它类似于原来的粒子，但是量子的自旋不同，宇宙中到处都是哈哈镜量子的模样以不同的方式被复制和扭曲，但是这些粒子带来了更多的问题，为什么我们的粒子会有孪生的版本呢？而为什么反粒子又不常见呢？
在一些科幻小说中有这样的设定，一个粒子碰到它的反粒子会发生爆炸，这听起来有点荒唐，但实际上这一点被证明是真的，当一个粒子遇到它的反粒子同胞的时候，它们可不是拥抱一下就得了，它们会彼此毁灭，这两个粒子会消失，它们的质量会完全转化成为某种高能的作用力携带粒子，比如说光子或者是胶子，这个过程称为——湮灭。原来的粒子将踪迹全无，这不仅发生在电子和正电子身上，也发生在夸克碰到反夸克，缪子碰到反缪子的时候，把孪生的粒子放到一起，就会看到一次能量的大爆发，质量中存储着很多的能量，这可是一件非常重要的事儿。
众所周知，爱因斯坦的质能方程也就是E=MC²，让人们明确了解能量和质量的关系，光速C已经是一个很大的数值了，这里还要加一个平方，所以一点点的质量就承载了相当大的能量，当两个粒子完全湮灭的时候，里面存储的巨大能量被释放出来，一克反粒子和一克正常粒子结合在一起可以释放超过4万吨的爆炸当量，比美国在二战中投向日本的(小男孩）的威力还要大一倍，一克是多少呢？差不多就是半颗普通的方糖，你可以想象半颗方糖和半颗反方糖就构成了规模的能量释放。
可能对你来说这个概念有些陌生，一个物体变成一股能量，也并不是我们每天能看到的景象，那么两个东西在一起湮灭到底是一个怎样的过程呢？是不是只要它们互相靠近碰到一起，然后砰的一声就全都变成能量了，请你记住啊，这些粒子是量子力学意义上的物体，它们实际上并不是什么小圆球，有时候你可以把粒子当成小圆球，有的时候你需要使用量子波动的图像，这两种解释粒子的方法都有缺点和不靠谱的情况，当我们说两个粒子足够近的时候，这两个粒子没有接触，实际上它们也没有什么表面，你可以换个思路想想它们量子力学特性的叠加，两个粒子会消失，并且进入另外一种能量的形式，大多数情况下它们都变成了光子，在这种能量里也可能诞生其他种类的粒子，具体情况取决于能量的大小，这就是大型强子对撞机中发生的事，科学家让普通的常见的粒子碰到一起，从而产生新型的粒子，在某种程度上粒子的相互作用最终都会使原来的粒子湮灭并产生新的粒子。
粒子和反粒子作为拥有相反电荷的两个镜像的版本，它们的相互作用有什么特别的地方呢？
它们会相互吸引，所以更容易碰到一起，因为它们带着电荷相反，而且它们还完美互补，这意味着它们会湮灭为某种中性的粒子，比如说不带电的光子，当粒子相互作用的时候，某些东西是守恒的，比如说人们就发现电荷并不会凭空出现，也不会凭空消失，粒子在相互作用的前后总电荷是相同的，这又是为什么呢？我们并不知道，我们不知道这背后是什么，只是在实验中看到了这样的模式并且把它纳入理论当中。
当一个电子和它的反粒子正电子互相靠近的时候，相反的电荷会将它们拉得更近，一旦碰上相反的电荷就会完全抵消，两个粒子也会烟消云散，光子就登场了。而如果两个电子相互靠近，那它们的负电荷就会互相排斥，如果通过某种方法成功地克服了它们互相的排斥力，那么会得到一个净的负电荷，电荷在碰撞前后是守恒的，所以这时候不可能出现光子，而电荷也不是我们观察到唯一守恒的东西，你可能想知道是不是任意两个带有等量相反电荷的粒子都能相互湮灭呢，比如说一个带有负一电荷的电子和一个带有正一电荷的反缪？
答案是不能的。
我们的宇宙似乎还有另外一个法则，电子性和缪子性也必须守恒，不能用一个不是电子的东西来毁灭一个电子，只能用一个电子的反粒子去做这件事，同样电子的表亲——缪子和陶子也是一样的。
除了这个性质，还有很多东西都是守恒的，比如说组成微粒夸克的数量必须是3个夸克，这一点在发生变化的前后也必须是守恒的，这个守恒叫做——3夸克性，所有的这些守恒都是科学家在观察粒子相互作用的时候发现的，把这些守则彼此结合嵌套在一起，就发现似乎只有粒子和反粒子的碰撞能互相湮灭，那为什么宇宙中有这些奇怪的法则呢？
我们还是不知道，也许有一天我们能够证明这些法则，宇宙法则只不过是更深层次之下简单粒子行为得到的一个自然结果，但是现在来说反粒子一定藏着宇宙基本法则的重要线索。
它们在一起会湮灭彼此，实际上反粒子可以像正常的粒子那样结合到一起，生成中子和质子这样更复杂的粒子和反粒子，比如说把两个反下夸克和一个反上夸克组成在一起，生成一个反中子，这样得到的反中子仍然是电中性的，但是它内部是由反粒子构成的，也可以把两个反上夸克和一个反下夸克组成一个反质子，除了带负电，反质子和质子是一样的，因为它也是由反粒子构成的。
一旦拥有了反电子、反质子和反中子，就可以进一步造出反原子，一个带正电的反电子和一个带负电的反质子和它们所对应的正常粒子运动规律是一样的，只不过所带的电荷是相反的，如果同时得到了一个反电子和一个反质子，那这个反电子就会围绕着反质子旋转，接下来就可以得到了一个反氢原子，也就是说如果把足够多的反粒子组在一起，就可以得到任何反的东西。
举例说明：
可以用两个反氢原子和一个反氧原子组成反水，反水的外观触感和性质，它和正常的水是没有什么差别的，但是如果你喝掉它你就会立即爆炸，因为你的身体中都是正水。
如果你能制造出反水，你十有八九也能制造出任何原子和分子的相反的版本，或许你还可以制造反化学构成、反蛋白质和反DNA，也许这个世界上还有一个由反物质构成的地球，也许有一个人和你长得一模一样，但是那个人是由反物质构成的，这个人可能开着一辆反物质车生活在反物质房子里，甚至此时此刻就拿着一台反物质的手机在和你一样在看这篇文章。
实际上我们的物质没有本质上的物质性，反物质也没有什么反物质性，如果情况颠倒过来，我们由反粒子组成，那么我们很可能就把我们这个反世界叫做物质，而把正常的粒子称为——反物质，因为那只是我们的定义而已，换句话说，说不定我们自己才是反的呢，当然了，无论我们怎么样去发挥自己的想象力，都必须正面回答一个问题，这些反物质都在哪里呢？
我们知道反粒子是存在的，狄拉克方程很好地描述了它们在高速运动下的行为，但这并不意味着我们完全了解它们，实际上我们宇宙的这个奇怪现象引出的问题其实比答案更多，比如说我们只是观察了几个粒子，并不代表我们能推导出由它们组成物质的所有的特性，那么反物质在运动、质地、味道、颜色等等方面和正物质是不是一样的，反粒子和粒子在受引力影响的时候表现是一样的还是相反的呢？最大的问题是为什么我们的世界是由物质而不是反物质构成的呢？就我们实际观测到的情况来看，物质和反物质之间有一个非常大、非常重要、也非常明显的区别，物质是无处不在的，而反物质几乎看不到，也就是说我们的宇宙拥有的物质要远远多于反物质，如果说物质和反物质相等而且互相为相反的版本，那我们就会期待在宇宙大爆炸中有同样多的粒子和反粒子出现，按照这个思路想下去看看会有什么结果。
如果每个正常的粒子都有一个对应的反粒子，那么最后所有的粒子都会与它们的反粒子相碰，并且彼此湮灭，宇宙中所有的物质都会转变为光子，当然了因为我们现在看到的宇宙并不是只有光子，所以我们知道事情并不是这样的，也就是说在宇宙大爆炸的过程中，物质的出现一定远远多于反物质的出现，现在科学上对这种不平等有2种解释。
第1种解释：在宇宙大爆炸的时候产生的物质比反物质稍微多了一点点，绝大多数的物质和反物质都湮灭了，但是在反物质被耗尽之后，有微量的物质遗留了下来，变成了今天的星系、恒星甚至是暗物质，这里要知道，暗物质和反物质它可不是一回事，这种可能性当然解释了我们所看到的情况，但是实际上它是一个很偷懒的解释，转移了核心的概念，它把为什么今天的宇宙是由物质而不是反物质构成的，这样一个问题转换成了另外一个问题，也就是说为什么宇宙最初有更多的物质而不是反物质，那这个问题同样是没有解答的。
第2种解释：在这个解释里宇宙大爆炸的时候，有相同的物质和反物质出现，但是随着时间的推移，这些粒子自身的某种性质造成了物质多于反物质的现状，如果说存在有某种物理机制，使得反物质比物质消失的更快，或者说产生物质的过程快于产生反物质的过程，那么这种可能性就是存在的，粒子一直不停的出现和毁灭，即使粒子和反粒子在出现和毁灭的方式上有一点小小的差别，随着时间的推移在总体上也会产生巨大的不平衡。
第2种解释看起来可能更有道理，但是宇宙有多大的可能天然地倾向于制造和保存更多的物质而不是反物质呢，物理学大题来说是对称的，据我们所知任何正常粒子能做的事儿反粒子也能做，比如说一个中子可以衰变成一个质子，一个电子和一个反中微子，那一个反中子也可以衰变成一个反质子，一个反电子和一个中微子，第2种解释说的倾向可能很微小，但是在研究粒子的时候，物理学家试图从物质与其自身的反物质间的震荡中寻找粒子间微弱的不平衡，遗憾的是尽管有证据表明这种不平衡存在，但是还是完全无法解释，为什么今天看到物质和反物质之间数量的巨大差异，总之一定还有什么别的东西可以解释，物质和反物质之间的不平衡，这个答案藏着另一个问题的线索，为什么一开始就有两种粒子呢？但是目前为止我们还不知道答案是什么。
也许我们全都搞错了，也许宇宙中的物质和反物质是等量的，只是被分隔在不同的地方，地球和周围这些东西肯定是由物质构成的，这个没有错，但是在远处也许还有其它区域是由反物质构成的，事情会不是是这样的呢？
物质和反物质非常相似，我们没有办法仅从发出的光来分辨一个遥远的恒星，它是由物质还是由反物质构成的，哪一种恒星都有相同的核反应，都会以同样的方式产生光子释放能量。先从近处说起，我们知道地球上并没有多少反物质，因为地球是由物质构成的，这类的任何反物质都会引发爆炸，那让我们稍微往远处走一走，地球的邻近空间会有比较大的反物质区域吗？太阳系里会不会有反物质构成的行星呢？
答案是绝对不可能，物质和反物质碰到一起会发生什么，如果月球是由反物质构成的，每当月球被流星砸中都会出现特大爆炸和刺眼的闪光，半颗方糖那么大的流星就可以带来堪比核爆的影响，而地球和月球每于都被大大小小的普通物质造访，所以我们至少知道月球不是由反物质组成的，这一点对于火星和太阳系的其它天体同样成立。如果火星是由反物质构成的，那我们会经常看到爆炸的光子，事实上在一个物质区域附近有任何明显的反物质聚集，都将看到持续不断的湮灭和光子释放的现象，在太阳系附近没有看到这样的情况，所以确信太阳系肯定是由物质构成的，还有我们已经派由物质构成的物体包括人去探索太阳系了，目前还没有任何人任何东西变成一股耀眼的能量。
天文学家扩大了探索的范围，在整个银河系里寻找由反物质构成的天体，到目前为止还没有看到反物质和物质相会产生的耀眼光子，科学家们甚至还考虑了整个星系都是由反物质构成的可能性，但是如果真的有这样的星系就会看到物质星系和反物质星系之间的宇宙空间因为粒子的湮灭而被照亮，目前天文学家已经把这项技术推得足够远了，他们确信我们整个星系团都是由物质构成的，说白了也就是在我们可观测的宇宙里面，如果有一个很大的区域是由反物质构成的，那么从由物质构成的地球往外推总会推到有一个边界，这个边界里面是物质外面是反物质，如果存在这样一个边界，就一定能看到这个边界里发生大量的物质和反物质湮灭的现象，但是到目前为止没有看到，这些就是对宇宙进行直接观察的极限了。
关于更大的事件还不能给出确切的判断，因为星系团之间的空旷区域太大了，就算那里有物质和反物质相遇，我们也没法看到，尽管如此宇宙的其他部分仍然更有可能是由普通物质构成的，如果宇宙是由物质星系团和反物质星系团构成，那么它们不光是现在应该离得很远，早期宇宙中的物质和反物质必定也相隔得很远，而这又会引发一系列新的问题，也就是说在大爆炸刚刚发生的开始，那个时候宇宙的空间还非常的小，这么大团的物质和反物质是怎么样彼此隔开不发生湮灭的呢？简而言之，在可观测的宇宙范围内，任何地方都没有大量反物质存在的迹象，为什么只能看到物质却看不到反物质呢，这个谜题我们仍然不知道答案。
所有带电的粒子都有反粒子，这个没有问题，但是中性粒子的情况就有点不一样了，比如说光子就没有反光子，也许有人会说光子就是它自己的反光子，这一句说是回答问题，不如说是偷换概念回避了问题，这就好像说你最好的朋友是你自己，这相当于是你没有朋友。
另外Z玻色子和胶子也一样，你可能注意到了这些都是承载力的粒子，但是带电的W玻色子也是承载力的它就有反粒子，那为什么有的粒子有反粒子，而有的是没有呢，这个问题就没法解答了，目前只知道带电荷的粒子它才有反粒子，因为在狄拉克的方程里它才有负数的解，物理学家相信带0个电荷的中微子很可能是有反粒子的，这种反粒子带有与弱核力相关的相反电荷数也就是——超荷，但是因为中微子本身就已经是一个很神秘的小粒子了，很难捕捉到它，也很难对它进行研究，所以说不定中微子也是它自己的反粒子，这就像刚才说的，这么说其实像没说是一样的。
如何研究反物质呢？
人个观点：可以利用反粒子构造反物体，这个想法当然非常吸引人，它不仅很酷还具有启发的意义，可以从中了解反物质与正常物质有什么区别，这个也有助于解释反物质为何存在，遗憾的是用反物质做实验是一件极其困难的事，用正常粒子构造物体就已经很难了。比如要做一块蛋糕，就需要 10^25个质子。
科学家们直到最近才成功的让反质子和反电子在实验室里友好相处，并且产生反的氢原子，早在2010年的时候科学家成功地制造出了几百个反轻原子，并将它们储存了大概20分钟，这个是一项了不起的技术成就，但是没法回答关于反物质的问题，虽然确实取得了不小的成就，在反物质制造和安全储存技术发展的更好之前，但是没有办法加深对反物质的了解。目前每年只能在CERN生产几皮克的反物质，也就是说如果想生产出相当于1/8颗方糖大小的反物质，那么要花几百万年的时间，即便到了那个时候，也需要利用电磁场发明一种不需要接触的器皿，才能把这个反物质的1/8颗方糖把它储存起来。
我们现在知道了关于反物质的几件事：
1.反物质是存在的。
2.反物质与物质电荷相反。
3.反物质与物质结合一起会湮灭并且释放光子。
我们对反物质还不算是一无所知，但是我们不知道的更多：
1.反物质为什么存在？
2.反物质是否隐藏着物质构成的线索吗？
3.还有其他形式的反物质吗？
3.物质和反物质对称，但我们的宇宙肯定更偏爱物质？
4.反物质会像物质粒子一样受重力的影响吗？我们知道反物质存在，而且现有理论预测它会像普通物质一样受重力的影响，但是我们观察到的反物质还不够多，所以我们还无法回答这个基本问题，重也就是引力，是一种相当弱的力，有了大量的粒子才能对它的重力进行测量，而反物质又相当稀少，相当不稳定，但是反物质在这个方面不一样呢？
5.反粒子的关键特性是在电磁力，弱核力和强核力方面，它们的电荷都和普通粒子相反，既然如此在引力这个方面，引力对反物质的作用会不会和物质相反？
科学里面经常会有一些新的概念，咋一听的时候好像是物理学家凭空编出来的，然后就被科幻小说家写到他们的作品里面去了，事实上并不是这样的，并不是说科学家编了一个概念然后拿这个概念去解决问题，而是先在数学上发现了一个解，然后科学家再造出一个名词来给这个解命名，所以说对于那些经济学或者是社会学的问题，普通人可尽情地发表一下自己的观点，但是对于物理学上的问题，普通人还最好是真的别去争了，如果说一个人真的有至于和物理学家叫板，最好还是先把必要的数学知识掌握了，才能真正和他们对话，而作为大多数的普通人，咱们就是听一个热闹，开开脑洞也就够了。
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