他是第一个发现反物质的人--纪念赵忠尧院士逝世20周年 1998年5月28日

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1998年5月28日，赵忠尧院士逝世，享年95岁。如今，这位世界上第一个发现反物质的科学家已经离开我们整整20年了。今天我们就从反粒子、反物质的预言和发现谈起，一起纪念这位新中国的核物理重要开拓者，宇宙射线、中子物理等方面的奠基人。

1902年，赵忠尧出生在浙江省诸暨县，后来求学于南京高等师范学校，即南京大学的前身。随后，他先后在东南大学和清华大学担任助教。1927年，他远赴加州理工，师从已经是诺贝尔奖得主的密立根。之后又去了德国哈罗大学工作。

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赵忠尧院士

赵忠尧院士在海外期间，正是物理革命风云激荡的英雄年代。事实上，在薛定谔方程提出之前，物理学家们就提出了相对论量子力学的方程克莱因-戈登方程。然而，科学家们很快发现，把这个方程作为相对论量子力学的方程，未免有些赶鸭子上架。因为它的概率密度并不恒为正，那么负的概率是什么呀?这显然这是重大的缺陷。另一方面，这个方程有负能解，这也是和常识相违背的。事实上，后来物理学家们认识到，这个方程并非相对论量子力学方程，而是一个经典的场方程，这是后话。

于是，英国物理学巨擘狄拉克建立了更完善的电子理论，提出了相对论量子力学的狄拉克方程之后，以此为基础，进一步预言了反粒子的存在。尽管狄拉克方程也存在负能解，也就是说，一个正能量的电子，会跃迁到负能态。我们都知道，能量越低，系统才越稳定。那么最低的肯定是负无穷呀，这样电子岂不是会放出无穷多能量?狄拉克考虑了泡利不相容原理，建立了一个充满自旋为二分之一的粒子的狄拉克海模型，假设负能态已经被占满，这样泡利不相容原理就不允许新的粒子跃迁到负能态。而这片狄拉克海中存在着空穴，它和正能粒子的能量正好相反，这样正能粒子就会掉入其中。而这个所谓的空穴，正是所谓的反粒子。

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基本粒子标准模型，图片来自中山大学张宏浩教授的ppt

狄拉克海模型如今已经成为了历史，因为它存在着不稳定等诸多问题。但是狄拉克预言反粒子的存在，却在物理学史上留下了浓墨重彩的一笔。而赵忠尧院士也因为发现反粒子而扬名四海。1929年到1930年，赵先生在研究硬γ射线时候，发现了“反常吸收”现象。尽管他并未直接观测到反粒子，但是这个反常吸收现象却正是来自正反粒子的相互作用。次年，赵院士回国，开始建设祖国的核物理研究事业。杨振宁、李政道、朱光亚、王淦昌、钱三强、钱伟长、冯端等著名物理学家都是他的学生。而1932年，赵忠尧的同门师兄弟安德森因为在云室中观测到正电子，即电子的反粒子而获得了诺贝尔物理学奖。遗憾的是，赵先生并未能够得奖。后来，赵先生活跃在国内外的物理研究中，他德高望重，在国内外物理学界有着非常高的评价。

如今，反物质、反粒子不仅经常作为科幻小说的题材出现，正反物质的不对称性也依然是粒子物理的开放性问题之一。科学家们试图建立超出粒子物理标准模型的新理论以解决这一难题。

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赵院士本来应该是诺贝尔奖得主

李政道先生曾遗憾地谈到赵忠尧院士与诺贝尔奖擦肩而过的事情，“两年前瑞典皇家学会的埃克斯蓬教授告诉我，当时瑞典皇家学会曾郑重考虑过授予赵老师诺贝尔奖。不幸，有一位在德国工作的物理学家在文献上报告了她的结果和赵老师的观察不同，提出了疑问。当然，赵老师的实验和观察是完全准确的，错误的是提出疑问的科学家……30年代初瑞典皇家学会以谨慎为主，没有授予赵老师诺贝尔奖，埃克斯蓬教授和我都觉得赵老师完全应该得诺贝尔物理奖。赵老师本来应该是第一个获得诺贝尔物理奖的中国人，只是由于当时别人的错误把赵老师的光荣埋没了”。

尽管赵先生终其一生无缘诺贝尔奖，但是这丝毫不会影响他在世界物理学史和中国物理学界的地位。民间流传着赵院士怀抱50克镭千里走单骑南下的英雄事迹，实际上任何人都受不了50克镭的辐射，恐怕是50毫克的谬传。但是，赵院士作为我国核物理、宇宙射线等学科的开拓者和奠基者之一，国内不少这方面的研究者都是他的徒子徒孙，他严谨的治学态度与坚定的科研信念将永远留在一代代物理学子的心中。

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作者:刘丹宁王纪尧

『天文湿刻』牧夫出品

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