在量子力學創(chuàng)建和發(fā)展中，一個有趣的現(xiàn)象是：幾乎所有的量子力學中的方程，都可找到經(jīng)典方程的對應?；蛘吒苯拥卣f，每一個經(jīng)典方程 （當然是在分析力學意義下的哈密頓形式的方程）將其中的動力學變量換成相應的量子算符，即可得到適用于表述微觀運動過程的量子力學方程式。但這種對應關系唯獨最為美妙的狄拉克方程不具有！

1927年12月，狄拉克把量子力學和相對論結合起來，提出了描述電子運動的相對論性的方程式。有趣的是，這個方程除了通常的解還有一個能量為負的解。起初人們認為，負能量態(tài)的存在意味著物質(zhì)是不穩(wěn)定的，因為電子會不斷向負能量的狀態(tài)躍遷而不斷輻射能量出來，這是一個近乎荒謬的結論。為了解決這個困難，狄拉克提出真空狀態(tài)充滿了負能量的電子 “?！保驗檫@些負能的狀態(tài)已經(jīng)被電子占領，正能量的電子就無法向這些負能狀態(tài)躍遷。狄拉克還發(fā)現(xiàn)，如果 “?！敝械碾娮颖?“打”掉就等價于形成了一個帶正電荷的粒子。后來人們認識到這樣的 “空穴”應該和電子具有相同的質(zhì)量，這就是正電子的最初的來源。在隨后發(fā)展起來的量子場論理論里，人們用更好的方式引入反粒子，而無需假設 “狄拉克海”的存在。隨著更加深入的研究，人們進一步發(fā)現(xiàn)，狄拉克方程具有 “電荷”反演不變的性質(zhì)，即如果狄拉克方程描述了電子的運動，那一定還有與之對應的 “正電子”的解。

人們根據(jù)狄拉克方程給出的兩個解，相信宇宙中還應該存在著 “正電子”。在這樣的概念剛剛提出的時候，大多數(shù)人對此表示懷疑，因為正電子這么奇怪的粒子人們從來沒有見到過。美國物理學家卡爾·安德森1932年就在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了正電子的存在，這完全支持了狄拉克方程的正確性。1955年，美國物理學家西格雷等人用人工的方法在實驗室中獲得了反質(zhì)子。此后人們逐漸認識到，不僅質(zhì)子和電子，所有的微觀粒子都有各自的反粒子，這促使人們猜測宇宙中正物質(zhì)和反物質(zhì)應該是對稱的。當初人們對反物質(zhì)感到陌生，是因為人們對于高能現(xiàn)象認識的缺乏，因為只有能量足夠高，反物質(zhì)才能被產(chǎn)生出來。但隨著科學技術的發(fā)展，人們對于高能現(xiàn)象越來越熟悉，物理學家對于反物質(zhì)也已經(jīng)習以為常。比如，在美國的費米實驗室的高能對撞機就是研究反質(zhì)子和質(zhì)子的高能對撞所發(fā)生的反應，中國科學院高能物理研究所主要進行正負電子的對撞實驗。除了在實驗室人們可以輕易產(chǎn)生這些反粒子，在高能宇宙線實驗中，人們也觀測到了反粒子的存在。宇宙線是來自于銀河系高能天體所產(chǎn)生的高能量的粒子流，在這些高能天體中不存在反物質(zhì)，否則就很容易和周圍的物質(zhì)湮滅掉。但高能的宇宙線在銀河系空間傳播的過程中，會和星際空間的稀薄物質(zhì)碰撞而發(fā)生反應，反應產(chǎn)生物中即有反粒子。

究竟什么是反粒子或反物質(zhì)？美國著名物理學家，諾貝爾獎金獲得者S.溫伯格的著作，如《廣義相對論與引力論》《最初三分鐘》《終極理論之夢》等書曾風行世界。在他的著名著作之一的 《引力論和宇宙論——廣義相對論的原理和應用》一書中第二章中討論了 “時序和反粒子”。溫伯格寫道：洛侖茲變換最顯著的特點之一是它不能保持事件的時序不變。例如，假定在一個參考系中觀察到x2處的一個事件發(fā)生得比x1處的一個事件晚，即t2＞t1。第二個觀測者看到第一個觀測者以速度v運動，他發(fā)現(xiàn)這兩個事件相隔的時間差按洛侖茲變換法則計算可以倒過來即：t’2＜t’1。乍一看，這似乎會導致邏輯佯謬的危險。假定第一個觀測者看到放射性衰變A→B＋C在點x1發(fā)生，隨后在點x2粒子B被吸收，例如B＋D→E。第二個觀測者是否會觀測到粒子B在點x2的吸收先于它在點x1的發(fā)射呢？只要我們注意到任何洛侖茲變換的速度必定小于光速，那么這個佯謬就不會出現(xiàn)了。溫伯格認為只有當速度大于光速，即當運動處于類空間隔時，才會出現(xiàn)上述佯謬。因此溫伯格認為：

雖然時序相對性對經(jīng)典物理學不會產(chǎn)生什么問題，但它在量子力學中卻起著深刻的作用。測不準原理告訴我們，當我們確定一個粒子在時間t1所處的位置x1，則我們不再能精確其速度。因此，即使x1-x2是類空的粒子也有一定的機會由x1飛到x2。更精確地說，粒子由x1飛到x2的幾率不能略去只要滿足一定的量子條件。于是我們又遇到了上面的佯謬：如果一個觀測者看見粒子由點x1發(fā)射而于點x2被吸收，只要滿足一定條件，則第二個觀測者可以看見此粒子在點x2被吸收的時刻t2早于它在點x1被發(fā)射的時刻t1。溫伯格認為：只有一個方法消除這個佯謬。第二個觀測者必須看到一個粒子在點x2發(fā)射而在點x1被吸收。但一般說來，第二個觀測者看到的粒子必不同于第一個觀測者所看到的。例如，如果第一個觀測者看見一個質(zhì)子在點x1變成中子及一個正π介子，然后在點x2看見π介子及某個另外的中子變成質(zhì)子，則第二個觀測者必看見在點x2中子變成質(zhì)子及一個帶負電荷的粒子，然后這個粒子在點x1被質(zhì)子吸收而成中子。由于質(zhì)量是洛侖茲不變量，故第二個觀測者所看到帶負電荷的粒子質(zhì)量將等于第一個觀測者所見正π介子的質(zhì)量。的確存在著這樣的粒子，稱做負介子，而且質(zhì)量的確與正介子相同。這一推理引導我們得出結論：每類荷電粒子都存在著與其電荷相反而質(zhì)量相同的粒子，稱做反粒子。注意，在非相對論量子力學或相對性經(jīng)典力學中卻得不到這樣的結論；只有在相對論量子力學中反粒子才成為必要。而且正是反粒子的存在導致相對論量子力學具有如下特征，即只要給予足夠的能量，我們就能產(chǎn)生任意數(shù)目的粒子及其反粒子。

前面我們談到，物理學是表述而不是 “魔術”！而上面的引述似乎表明溫伯格在這里玩了一個超級的物理魔術，他一方面用了相對論的洛侖茲變換造成時序的相對性，另一方面又用了測不準關系來模糊粒子運動真實速度的大小，還用有一定出現(xiàn)幾率來回避是否 “必然發(fā)生”的問題。于是得出 “只有在相對論量子力學中反粒子才成為必要?！边@里出現(xiàn)了一個 “魔術”怪圈：時序的相對性借助量子力學的不確定性引出了反粒子，而1907年愛因斯坦正是由時序相對性否定超光速運動存在的可能性。

但如我們前面已討論了的，當人們用光線作為觀測工具，對超光速客體進行觀測時，必然出現(xiàn)時序的相對性。這種相對性完全是我們經(jīng)驗特性所能理解的，如人們聽到來自超音速飛機的聲響，當飛機向我們飛來在沒有越過我們頭頂以前，就是后發(fā)出的聲波先被我們聽到，于是出現(xiàn)了飛機聲響的發(fā)出過程于我們聽到聲響過程相反的 “時序相對性”。

按愛因斯坦物理的直覺能力，他不可能不覺察到 “反粒子”的出現(xiàn)可以用時序的相對性來解釋，如果是這樣那么反粒子的出現(xiàn)就是給他的 “格格不入”當頭一棒。因此本來狄拉克理論的出現(xiàn)，是相對論和量子力學相結合的最好典范，但愛因斯坦卻始終不看好狄拉克的理論。他在1926年8月21日寫給索末菲的信中說：“海森伯—狄拉克的理論我固然不得不佩服，但是我卻聞不到真理的氣味?！钡依朔匠淘?928年初就發(fā)表了，安德森1932年就在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了正電子的存在，這完全支持了狄拉克方程的正確性。從此開始到愛因斯坦1955年逝世長達23年的時間內(nèi)，竟沒有對反粒子的問題發(fā)表過任何意見。如果說愛因斯坦不承認量子力學因而不推薦量子力學的創(chuàng)建人獲取諾貝爾獎，那他推薦過薛定諤和海森伯。令人奇怪的是，不論是在1928年還是后來任何時候，愛因斯坦都從來沒有推舉過狄拉克。大概是由于他太忌恨 “時序相對性”了吧！與他的經(jīng)驗特性是那么格格不入。

曾有人對我說宇宙那么大，上帝如何能照顧過來呢？本來上帝或許是有超光速工具的，但出生猶太裔的物理學的上帝——愛因斯坦，為了報復圣經(jīng)中的上帝曾對猶太人的不公，而用他的特殊身份把超光速給處決了；但上帝又派狄拉克借助量子力學的面具把超過光速運動還魂在 “反粒子”中。而芬斯勒時空中的相對論將為這近百年來的冤案從理論上討回了公道。只等未來的物理學家來加以驗證。