在許多人心目中，科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)不斷創(chuàng)新，不斷打破傳統(tǒng)觀念的過(guò)程。只有推翻一個(gè)舊理論，我們才能創(chuàng)建一個(gè)新理論。

比如世界上的反動(dòng)學(xué)術(shù)權(quán)威普遍認(rèn)為，公羊不能下蛋，母雞無(wú)法產(chǎn)奶；我們就不信邪，大膽的提出公羊也能下蛋，母雞亦可產(chǎn)奶的偉大假說(shuō)，徹底推翻了束縛了人們上萬(wàn)年的舊理論，為科學(xué)的飛躍式發(fā)展指明了方向。

以上的發(fā)現(xiàn)不是科學(xué)，是幻覺(jué)。

那么，真實(shí)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，尤其是那些匪夷所思的科學(xué)發(fā)現(xiàn)又是怎樣產(chǎn)生的呢？比如說(shuō)反物質(zhì)神馬的，最神奇了，和物質(zhì)碰在一起就會(huì)湮滅，變成高能輻射。這難道不是科學(xué)家推翻了傳統(tǒng)的物質(zhì)理論之后發(fā)現(xiàn)的嗎？

如果物質(zhì)可以反，那么會(huì)不會(huì)也有反能量，反空間，反時(shí)間，反宇宙呢？這事要想說(shuō)清楚，還得從相對(duì)論開(kāi)始。

反物質(zhì)是相對(duì)論下的蛋

說(shuō)起愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，大家實(shí)在是太熟悉了，光速不變，鐘慢尺縮，雙生子佯謬，隧道跑火車(chē)，可謂科學(xué)界的唐詩(shī)三百首，令人“不會(huì)作詩(shī)也會(huì)吟”。除此之外，相對(duì)論的又一大貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能守恒定律：

有了它，人們才弄明白萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，太陽(yáng)發(fā)光靠mc平方；有了它，人們才懂得利用核能；也正是有了它，狄拉克在1928年才發(fā)現(xiàn)了自然界存在著反物質(zhì)。

質(zhì)能守恒定律為什么能預(yù)言反物質(zhì)的存在呢？讓我們先從一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)理解一下它的意義。如果你還記得高一物理，一定還對(duì)牛頓力學(xué)中物體的動(dòng)能公式有印象：

這里Ek是物體的動(dòng)能，m是質(zhì)量，v是速度。換一種更一般的寫(xiě)法就是，

其中p=mv是物體的動(dòng)量。1926年，奧地利籍物理學(xué)家薛定諤，將量子的波動(dòng)性思想和后一個(gè)版本的能量表達(dá)式結(jié)合起來(lái)，發(fā)現(xiàn)了薛定諤方程——量子力學(xué)量力學(xué)，從此物理專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生又多了一門(mén)考不過(guò)的課程。

這樣想想科學(xué)發(fā)現(xiàn)好像也不太難嗎！你看這么簡(jiǎn)單的公式，往量子力學(xué)一應(yīng)用，就是一套學(xué)問(wèn)，這我也會(huì)，

慢著，如果物理學(xué)真有這么簡(jiǎn)單，那么人人都能拿諾貝爾獎(jiǎng)了。實(shí)際上，我們高中學(xué)過(guò)的那套公式是牛頓力學(xué)中唯一正確的動(dòng)能表達(dá)式，其他說(shuō)法中所謂的“能量”并不守恒。不守恒的能量有如“屠龍之術(shù)”，世界上又沒(méi)有龍，屠不屠龍沒(méi)什么意義。

在相對(duì)論力學(xué)中，動(dòng)能，動(dòng)量和（靜）質(zhì)量的關(guān)系有點(diǎn)兒復(fù)雜，

不知道大家看出來(lái)沒(méi)有，和牛頓力學(xué)相比，這里的能量多了一個(gè)平方號(hào)，成了一個(gè)二次方程（其中c是光速）。如果你還記得初二數(shù)學(xué)，會(huì)想起二次方程有兩個(gè)解。把上面的方程移項(xiàng)，開(kāi)平方，得到關(guān)于能量的解應(yīng)該是正負(fù)兩個(gè)！能量怎么會(huì)有負(fù)的呢？恭喜你，已經(jīng)接近反物質(zhì)啦！

和牛頓力學(xué)一樣，上式的能量定義是狹義相對(duì)論中的唯一正確的守恒能量，大家不需要再去做別的嘗試。我們常見(jiàn)的mc平方的表達(dá)式正是本式的簡(jiǎn)化版本。1927年到1928年間，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克受到薛定諤方程的啟發(fā)，也打算把這個(gè)能量公式應(yīng)用到量子力學(xué)中去，看看能得到什么。

這個(gè)想法實(shí)現(xiàn)起來(lái)極其困難，因?yàn)槟芰?、?dòng)量在量子力學(xué)中是一堆微分算符，怎樣讓算符開(kāi)根號(hào)呢？狄拉克天才地把微分算符開(kāi)了根號(hào)——不服的話(huà)不妨試試看，保證淚流滿(mǎn)面——得到了相對(duì)論性的量子力學(xué)方程（或場(chǎng)方程），就是狄拉克方程。

在狄拉克之前一定有人想過(guò)這樣試試，但是只動(dòng)嘴皮子沒(méi)有用。僅僅有想法不能算科學(xué)發(fā)現(xiàn)，只有找到人們從未發(fā)現(xiàn)的，支持自己想法的證據(jù)，或者說(shuō)可以被驗(yàn)證的結(jié)論，例如方程，方程的解，對(duì)現(xiàn)象的預(yù)言等等，才能算作科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

狄拉克方程是一個(gè)偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。正如相對(duì)論性的能量方程，狄拉克方程也有正負(fù)兩個(gè)能量的解。那么，負(fù)能解會(huì)不會(huì)像“屠龍之術(shù)”一樣，毫無(wú)意義呢？或許有人這么想過(guò)，但天才狄拉克有更加奇妙的想法（其中還有奧本海默和外爾的貢獻(xiàn)）：

如果把真空看作是負(fù)能態(tài)被電子填滿(mǎn)的海洋，此時(shí)若有一個(gè)占據(jù)能量態(tài)為負(fù)E的電子從海洋跳出來(lái)，那么海洋之中就少了一個(gè)帶負(fù)電荷e的負(fù)能電子，多出來(lái)一個(gè)負(fù)能的空穴。如果反過(guò)來(lái)看，少了一個(gè)負(fù)的等于多了一個(gè)正的，就等效于真空海洋中多出來(lái)一個(gè)能量為E，帶有正電荷e的反粒子。

于是，狄拉克方程做出了一個(gè)可以被驗(yàn)證的預(yù)言：自然界中存在電子的反物質(zhì)，它的質(zhì)量和電子相同，電荷和電子相反。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森（Carl Anderson）在對(duì)宇宙射線(xiàn)的研究中發(fā)現(xiàn)了正電子的存在。

因此，狄拉克和薛定諤分享了1933年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，安德森和它的合作者分享了1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

隨著量子場(chǎng)論的發(fā)展，人們不斷的從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)各種基本粒子對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)——每一種都是某種已知基本粒子的“鏡像”，除了質(zhì)量相同外，其他量子性質(zhì)完全相反（有些粒子的反粒子就是它自身）——無(wú)一不是由相對(duì)論性的量子場(chǎng)論方程所預(yù)言的。

“電子海”的物理解釋由于其局限性漸漸不常被人們使用，“負(fù)能量”的疑惑可以被更加完備的量子場(chǎng)論所自洽的解釋?zhuān)覀儠簳r(shí)不表。

可見(jiàn)，追根溯源，反物質(zhì)就是相對(duì)論下的一個(gè)蛋。沒(méi)有相對(duì)論，就沒(méi)有相對(duì)論性的狄拉克方程，也就沒(méi)有對(duì)反物質(zhì)的預(yù)言。且不說(shuō)相對(duì)論所預(yù)言的其他現(xiàn)象已被驗(yàn)證，量子場(chǎng)論預(yù)言的基本粒子包括對(duì)應(yīng)的反粒子也被一個(gè)接著一個(gè)的找到。

最值得一提的是，場(chǎng)論標(biāo)準(zhǔn)模型中的不同方法對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的差異小于一億分之一，這意味著相對(duì)論下了一個(gè)極為成功的蛋?，F(xiàn)在還有些人號(hào)稱(chēng)用一百零一種方法推導(dǎo)出相對(duì)論是錯(cuò)的。

我看就算用一億種方法也白搭，公羊會(huì)不會(huì)下蛋，母雞能不能產(chǎn)奶，要用實(shí)驗(yàn)說(shuō)了算。實(shí)驗(yàn)才是檢驗(yàn)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)。搞物理不能只動(dòng)嘴皮子忽悠，還要?jiǎng)幽X做計(jì)算；不但要?jiǎng)幽X做計(jì)算，還要?jiǎng)邮肿鰧?shí)驗(yàn)。除此之外，唱的再好聽(tīng)，畫(huà)的再好看，都是扯淡。

相對(duì)論沒(méi)反物質(zhì)不行

相對(duì)論辛辛苦苦下了一個(gè)蛋，那么這個(gè)蛋能孵出來(lái)相對(duì)論嗎？答案是能！

在相對(duì)論性的量子力學(xué)，或者更完備的量子場(chǎng)論當(dāng)中，有一件事必須搞清楚，那就是這個(gè)理論中有沒(méi)有超光速的現(xiàn)象？我們知道量子力學(xué)當(dāng)中有很多神奇的現(xiàn)象，比如上帝擲骰子，量子糾纏，隧穿效應(yīng)等等，保不準(zhǔn)又弄出來(lái)超光速的話(huà)，相對(duì)論不是就完蛋了嗎？

物理學(xué)家一計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這回事還真沒(méi)那么簡(jiǎn)單。

在量子場(chǎng)論中，粒子并沒(méi)有固定的軌道，它只能從一個(gè)位置“躍遷”到另一個(gè)位置。按照相對(duì)論，太陽(yáng)光到達(dá)地球需要八分鐘。如果太陽(yáng)那里產(chǎn)生一個(gè)粒子，在八分鐘內(nèi)，它“躍遷”到地球的概率應(yīng)該為0，或者說(shuō)它對(duì)地球的任何影響都是0。

如果不考慮反物質(zhì)，物理學(xué)家計(jì)算的結(jié)果是，這樣的影響雖然非常小，但不是0，這樣就違反了相對(duì)論。但考慮到量子場(chǎng)中既有物質(zhì)又有反物質(zhì)，而且物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子的種類(lèi)是一一對(duì)應(yīng)的話(huà)，那么二者造成的“超光速”影響正好完全抵消，最后的結(jié)果就會(huì)支持相對(duì)論。

所以，相對(duì)論下的蛋，最后又孵出了相對(duì)論。完全自洽。

那么可能有人要問(wèn)，量子場(chǎng)論為什么一定要支持相對(duì)論呢？各說(shuō)各話(huà)，各找各媽不行嗎？除了量子場(chǎng)論來(lái)自相對(duì)論這個(gè)自洽性問(wèn)題外，這里還涉及到物理學(xué)的基本定律和演生（emergent）現(xiàn)象的關(guān)系。

打個(gè)比方，《黑客帝國(guó)》中的Neo可以在Matrix構(gòu)建的世界中騰云駕霧，從Matrix出來(lái)以后就不行了。這是因?yàn)椋琈atrix的世界是建立在計(jì)算機(jī)0和1的邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)上的，演生出來(lái)的世界可以由0和1組成的程序構(gòu)造，但計(jì)算機(jī)和Neo本身要受到物理學(xué)基本定律的限制。

同樣的道理，我們的宏觀世界是由基本粒子構(gòu)成的，許多宏觀現(xiàn)象，例如顏色，軟硬，強(qiáng)度，思想，情緒，生死都是由基本粒子的相互作用演生出來(lái)的（這里的演生和Matrix的虛擬世界不一樣），并不一定是物理學(xué)的基本定律。

相比經(jīng)典物理學(xué)，描述微觀世界的量子物理的規(guī)律更加基本。人們發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)，并可以構(gòu)造自洽的相對(duì)論性量子場(chǎng)論，說(shuō)明至少在目前的階段，相對(duì)論不僅僅可以描述演生的宏觀世界，還可以描述基本的量子世界。相對(duì)論是一個(gè)自洽的物理學(xué)基本理論。

相對(duì)論無(wú)法被“推翻”？

回到開(kāi)頭的問(wèn)題，如果物質(zhì)可以反，那么會(huì)不會(huì)也有反能量，反空間，反時(shí)間，反宇宙呢？根據(jù)奧卡姆剃刀原則，答案是沒(méi)有，因?yàn)橄鄬?duì)論性的方程沒(méi)有出現(xiàn)這樣的解。有人要反對(duì)了，暗物質(zhì)，暗能量也不是相對(duì)論性的方程的解，宇宙學(xué)觀測(cè)不也支持它們的存在嗎？的確如此，目前的物理學(xué)理論沒(méi)有辦法解釋暗物質(zhì)和暗能量的存在。

因此，為了解釋觀察到的現(xiàn)象，人們必須修改現(xiàn)有的物理學(xué)理論，其中可能包括相對(duì)論。然而修改歸修改，在一定條件下，必須退回到相對(duì)論來(lái)——正如在一定近似條件下，狄拉克方程可以退回到薛定諤方程，狹義相對(duì)論可以退回到經(jīng)典力學(xué)中，廣義相對(duì)論也可以退回到牛頓引力。

例如在談到黑洞蒸發(fā)的信息丟失問(wèn)題時(shí)，弦論學(xué)家泡欽斯基說(shuō)過(guò)（見(jiàn)《黑洞出來(lái)混，遲早要還的》）：“因此，量子引力是全息的，它的自由度是非局域的，而（經(jīng)典引力的）時(shí)空局域性是演生出的?！逼渲械臅r(shí)空局域性可以狹義的理解為信號(hào)不能超光速，可見(jiàn)他說(shuō)的正是這個(gè)意思。

總而言之，公羊不能下蛋，母雞不會(huì)產(chǎn)奶，相對(duì)論不可推翻，科學(xué)不是扯淡?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)需要?jiǎng)?chuàng)新思維，打破傳統(tǒng)觀念，這確實(shí)是我們做的不夠的一個(gè)方面。但并不是任何打破傳統(tǒng)的行為都是創(chuàng)新。

作為成年人，我們都必須先調(diào)查清楚整個(gè)事情的來(lái)龍去脈，哪些是假說(shuō)，哪些是事實(shí)，而不是口若懸河憑空杜撰，指鹿為馬坐井觀天。如果回過(guò)頭去看看每一次科學(xué)進(jìn)步，具體到其中的每個(gè)當(dāng)事人身上，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了創(chuàng)新之外，更多的還有傳承。