就自然科学范畴而论，20世纪可谓物理学的世纪。这百年之中，物理学以科学史上最伟大的理论突破及其无比辉煌的技术应用，把人类文明引向堪称发达的现代水准，并趋于灿烂、融和的绝妙意境。现代物理的两大理论支柱——相对论和量子论，以及二者的形式结合体系，正是现代技术文明发祥和现代自然观念变革的重要渊源。

美哉，物理；尤其美哉，现代物理！迄今人们所热切向往、精心构建的物理学统一理论，更宛若沈沈宫宇、美轮美奂。回顾科学进程，凡成功的物理理论，无不以逻辑一致、推理严谨、结构简洁、形式完备、预见正确、应用宽广而著称；所有这些特征，都充分显示其深邃的美学意义。大体上说，自然界是对称与和谐的；那么对物质运动之理论描述的对称与和谐，就成为物理学家所执着追求的最高目标，同时也是其有效创新的方法论准则。诚然，探索自然科学的审美价值，乃是科学哲学之最高发展阶段的主要任务。

爱因斯坦以为，真的东西总是美的；而狄拉克以为，美的东西总是真的。这涉及美学中真、善、美的内在同一性；笔者且以现代物理的若干典型成就为例，讨论一下这个哲理性问题。当然，主旨还是在物理学本身：试图说明关于其某些领域的20世纪进展乃至21世纪走向的粗浅体会，并藉此阐发对于新自然观的点滴认识。

客观世界以物质性为第一性，世界万物全为物质体。中国某学者言道：“天下物无独必有对”，“有对之中，必一主一辅”，用现代科学的审美语言释之，前一句涉及物质世界的对称性，后一句说明任何对称性均非绝对的平衡。由微观物理的百年研究得知，物质的“基底”粒子为夸克和轻子，而每种粒子都有各自的反粒子。正、反粒子的质量、自旋、寿命等相同，电荷等量子数相反，二者乃成对偶。夸克构成强子——重子和介子。质子、中子这两种重子聚合成原子核，核与轻子家族的主要成员——电子一起形成为原子，如此遂构成宇宙间的一切物质体。显然，普通物质是充斥宇宙的主体；作为其对偶的反物质存在与否，正是本世纪、又是新世纪物理学的一个重要探索课题_

一语惊人“正电子”

相对论量子力学的创建者狄拉克（P. A. M. Dirac，1902~1984），是一位崇尚美学的理论物理学家，他特别追求物理理论之形式对称的数学美。在他看来，对于相对论这样一个完美理论，若将其相对性原理——一条基本的对称性原理引人量子力学体系，定会使后者圆满、有力得多。果然，他于1928年建立电子的相对论性波动方程（即狄拉克方程），实为促使相对论与量子理论从形式上相结合的良好开端；可贵的是，他藉此而对物理学的概念基础作出多方面突破。这些突破俱都聚焦于令人惊异的“正电子”预言，此预言则被看作堪与普朗克的量子概念竞相媲美的伟大创新。

狄拉克方程满足体现相对性原理的洛仑兹变换不变性，其中波函数对时间和空间坐标的微商均为一阶。狄氏以相对论的能量-动量关系式作为推导该方程的出发点。此关系式中能和动量都是二次项，开方成一次，但出现正能、负能两个根；与此相应，狄拉克方程包含正能态波函数、负能态波函数两种形式解。二者的对称性十分鲜明，为狄氏所断然肯定。尽管人们囿于“物理状态能量正定”的传统观念，往往会把负能根乃至负能态解抛弃；他却果敢地将正、负能态解同样接纳、等量齐观。

对于数学上的形式对称，好的物理学家总是赋以合乎物理原理，并为物理实验印证的创造性诠释；狄拉克更是以“精骛八极、心游万仞”的丰富想象力，描绘出一幅惊世骇俗的奇特画面；电子有正能级，还有负能级，分别对应其方程的正、负能态解；所谓“真空”，并非真的空无一物，而是在无限多负能级上已占满了电子（每个能级上有一个电子），形成为一片深不见底的“电子海”。一旦电子海受到电磁辐射的激发，负能级电子获取能量便跃迁到正能级上，相应地负能级上出现空穴。狄拉克把这空穴解释成具有正能量的“正电子”；这就是由相对论量子力学得出的“正电子"预言。从真空中激发产生电子对——（负）电子和正电子，实际上即为电磁辐射（能）的量子一一光子变成电子对的转化过程；γ+γ→e^-+e⁺；相反，正能级上的电子掉入负能级上的空穴，便有电磁辐射能放出，此即电子对湮灭、转化成光子的过程；e^-+e⁺→γ+γ。

“正电子”预言的启示

正电子作为电子的反粒子，于1932年由安德逊（C. D. Andersen）从宇宙线射入的云室中探测到；于是，正电子预言被证实，尔后反粒子概念也就广为流传。那末，从正电子预言中可得到哪些启示呢？简言之，这个科学预言揭开了客观世界物质性的另外一半涵义，它是窥视反物质“半爿天”的第一个窗口。电荷是微观粒子的一种基本属性，正、负电荷的共轭对称性自然应作为亚原子领域的一种普遍对称性。把相对论的结论引进量子力学，必然得出任何量子体系的正、负能态解；而这种数学形式上的对称性，经过狄拉克的“电子海”描绘，便表现为物理实在的电荷共轭对称性。电子海以致后来扩展成囊括各种粒子的“粒子海”，被当作真空概念的现代描述，不啻是一种深入其本质的探讨方式。再则，从正电子预言起始，正、反粒子对的产生和湮灭，成为粒子物理的中心概念之一；我们认为，这正是相对论与量子理论相结合的重要产物。因为电荷共轭对称性与粒子转化反应所须满足的电荷守恒定律相关联；而相对论中的质能相当原理可以用来解释辐射能量（光子）与通常称谓的物质粒子之间的相互转化；结合以能量量子化概念以及量子跃迁假设，真空的“粒子海”图像势必充当正、反粒子对反复生、灭的质能转换背景。

相对论量于力学的创建者狄拉克

诚然，相对论与盘子理论在思想观念上彼此对立，著名的爱因斯坦-玻尔的世纪之争似还余波尚存。那末，二者为什么能在形式上结合起来呢？我们认为，量子力学尽管是统计性理论，与作为可观测物理最之时空模型的经典理论（包括相对论在内）大相径庭；但量子力学的核心是量子体系的波函数方程，波函数虽非可直接测量的物理量，但所遵循的还是以其对时-空坐标的微分方程表征的严格因果律，亦即量子力学在量子态变化的抽象表述方面还是沿袭了经典理论的逻辑结构形式。所以，相对论与量子力学就形式体系的内部结构而言，还是逻辑相洽的；严格的因果律反映的是一种逻辑结构的数学美，鉴于此，狄拉克使二者的形式结合给出对电子运动和电子内禀性质（例如自旋）的完善描述，并披露出微观世界崭新、丰厚的物理涵义。披露之涵义的拓宽是必然的，因为相对性原理提高了波函数方程的对称性。

从反原子到反星系

正电子是发现得最早的反粒子。1955年，用高能质子轰击（铜）原子核，打出了反质子。翌年又发现了反中子。有了这三种反粒子，似乎就可以构成反原子核、反原子、反分子、反物体、反星球、反星系等。古希腊圣哲亚里士多德曾提及所谓的“反地球”，纵然只是一种大胆的臆想；而如今设想由反物质构成反星球、反星系，则应看作由正确理论出发的逻辑推理。如果承认正、反粒子的电荷等性质之间的绝对对称性，就似应假定宇宙间正、反物质各占半数。

随着粒子加速器之能量的不断提高，已找到许多反粒子。按照质能相当原理，若正负电子对的能量较高，则二者碰撞后不是转化成一对实光子，而是通过虚光子再转化成质量较大的正负μ子对或正负τ子对；若能量更高，则通过虚光子甚至转化成正反夸克，以致产生质量更大的正反强子对。反过来，强子碰撞，构成强子的正反夸克对湮灭、通过虚光子而转化成电子对或其他正反粒子对。因此，在高能粒子碰撞实验中不仅有正电子充任重要角色，别的反粒子也常常登台表演。因粒子相互转化而出现的正、反粒子对，二者往往是同生同灭的。已发现的对于强作用比较稳定的粒子约有三百多种，正、反粒子的种数几乎对等。

人工合成反原子核和反原子，无疑是进一步的努力目标。1965年，用反质子和反中子合成出反氢的同位素反氘核，继而又合成出反氦3核。令人喜悦的是，1995年欧洲核子中心（CERN）使正电子和反质子相结合，竟然合成出反氢原子，虽然仅“存活”了极短促的一瞬，但此举毕竟是反物质探索路途上弥足珍贵的一步。人工合成反原子，并使其留存较长时间，得以考察其属性与原子的异同，或可借此而去捜索宇宙间可能存在的由反物质构成的反星球和反星系的“蛛丝马迹”。

宇宙线是否带来反星球、反星系的信息？近年来的所谓“高能反物质望远镜”实验，是采用高空气球及其携带的复杂探测器而进行的。迄今由宇宙线探测到的还只限于正电子和反质子两种，况且可能只是由星际亚原子粒子碰撞产生的。然而，人们希望探测到反氦核和反碳核、反氧核等；若前一种反核被发现，则表明它是从宇宙大爆炸起就存在的，若后两种反核被发现，则表明有反恒星存在。可是事与愿违，这些反核均未探测到；反原子、反分子、反物体散片更渺无影踪。那末至少表明，银河系里不存在反恒星、本星系团里也不存在反星系。至于是否可能存在一些孤立的反星系，与由普通物质构成的星系相隔遥远；但观察十年，茫然未果。看来即使存在，一般认为也不可能有其反粒子“使者”，脱离内部作用力场的束缚而越过周围的广阔空间，到达目前这样的反物质望远镜的搜索范围。再则，是否可能存在总星系团的对偶——反总星系团，二者完全对称却遥遥隔绝，毫无信息往来；那末即使存在也不可观测。而不可观测的世界不是物理学意义上的“物理实在”，岂能成为物理学的研究对象？此外，最难于想象的是：在宇宙演化进程中，正、反粒子乃至正、反物质何以分离、怎会分别形成星系和反星系？

对称中的不对称

是否可不必肯定正、反粒子之间的电荷共轭对称性总是绝对的？依照上述观测事实，宇宙学家就这样假设：在宇宙大爆炸的一刻，粒子数略高于反粒子数，二者在对称性上稍有差池、地位并非完全对等；接着，相应的正、反粒子对湮灭，剩下仅占总数十亿分之一的粒子构成普通的物质，随着宇宙膨胀而演化成目今的面貌。换言之，宇宙极早期的物质和反物质，未曾达到绝对的平衡，前者为主、后者为辅。正因为如此，才使宇宙形成为尔后那样由普通物质铺陈的自然界。反粒子只在高能碰撞中露脸，而不是以天然常态存在着的；况且即生即灭，才不会破坏自然界的自身和谐。实际上，唯有在高能条件具备时，才可能出现正、反粒子势均并峙的短暂局面，于此瞬息间，二者的对称地位才显得绝对地平衡。

有些粒子物理学家以为，宇宙极早期的粒子过量是由粒子与反粒子的性质差异造成的，其差异导致名曰“电荷-宇称反转”（CP）变换之对称性的破缺。具体以介子为例来稍作说明。介子由一个夸克和一个反夸克构成，比如质量较大的K⁰介子（或B⁰介子），其构成粒子是下夸克和反奇异夸克（或反底夸克）、反K⁰介子（或反B⁰介子）的构成粒子是反下夸克和奇异夸克（或底夸克）。从介子转变为手征性（左旋或右旋）相反的反介子，正就是CP变换。实验发现，在不同K介子分别衰变成较轻的π介子的过程中，显示出CP对称性的些微偏差（CP量子数不总是守恒）。所以说，宇宙极早期经过一系列粒子转化反应，粒子数略微超出反粒子数是完全可能的。这种CP对称性的破缺机制或可用粒子物理的“标准理论模型”解释，但不尽完善。为了探明破缺的起因，并藉以修改标准模型，近年在日本和美国的加利福尼亚建成甚高能量的新型加速器，用以产生数量巨大的B介子。这两台加速器被称作“B（介子）工厂”。凭借比K介子更重的B介子及其反B介子的衰变，能更有效地显示CP对称性破缺机制的细节。确实，大部分物理学家期望新世纪的探索能够证明，宇宙仅由物质构成，乃具有从理论上到实验上更充分的依据。

可是，继续寻找较重的反核粒子、搜索特异的γ射线暴（起源于正、反物质的湮灭）、探讨遥远处是否存在反星系的艰巨研究项目，仍在大张旗鼓地进行。卓越的实验物理学家丁肇中就是带头参与的一位。他认为：既然没有令人信服的证据表明没有反物质，就应当以更高的实验精度去全力寻找。他和世界各国的合作者们力图把具有更高灵敏度的反物质探测器送上空间轨道，还争取借用阿尔法国际空间站，由以期待在若干年之内从宇宙线中获得有关反物质的不同于往常的信息。

反物质，何处觅？在于新世纪更为精致的极高能实验室，抑或把探索的触角伸向太空更深处？是相信对称原理的绝对性，还是承认自然界的种种对称性常常取破缺的形式？看来，对称中有不对称，已为物理学界所普遍认可；追究电荷共轭对称性中的不对称因素，恰是促使反物质研讨工作不断深入的关键所在。然而，丁肇中慷慨陈词：“探索未知，责无旁贷！”这当然亦颇能激励众多同仁。