目前，量子理论尚待解决的主要问题，包括：

（1）如何解释波粒二象性？

（2）物质波是什么？

（3）物质波方程的物理基础为何？

除此以外，还有一个更大的挑战就是去解释：粒子从何而来？

图6.2　对撞机实验的示意图

科学家利用加速器先把一个电子和一个正电子加速到很高的速度，再让它们相互碰撞。最后使用探测器来探测并分析其碰撞后所产生的物质。

在近代物理学里，许多亚原子粒子的发现最初是通过对各种辐射的研究。后来，许多新的粒子的发现则主要依靠对撞机的实验。简单来说，科学家利用加速器先把两个粒子加速到很高的速度，再让它们相互碰撞。最后使用探测器来检测其碰撞后所产生的物质，并分析其物理性质，例如它的自旋、电荷与质量等（见图6.2）。

这种对撞机的实验的构想原理非常简单。我们可以用一个宏观世界里的比喻来说明（见图6.3）。

图6.3　对撞机实验原理的比喻

科学家通过对撞两个高速粒子来分析这两个粒子是由什么更小的粒子组成的。其原理与通过对撞两辆小汽车来了解汽车是由什么部件构成的是一样的思路。

假如一个外星人第一次来到地球，他看到地面上有很多汽车，但他不知道这些汽车是怎样构成的。于是他想到一个主意，就是利用他的特异功能把两台汽车加速到很高的速度，然后让它们相互碰撞。汽车在发生碰撞后，会有很多零件掉出来。外星人就把这些零件拿去进行分析，发现：这些零件里面有橡胶制成的轮胎，用钢制成的螺丝钉，用玻璃制成的窗户碎片，等等。通过对这些碰撞中掉落的部件的分析，外星人就大概可以知道地球上汽车是由什么更基本的物质构成的。粒子物理学家过去用粒子对撞机所做的实验，基本上也与这位外星人的想法差不多。事实上，在过去几十年，他们从粒子碰撞后的产物里也的确找到了不少有用的实验结果，让我们知道一些粒子是怎么样构成的。(www.daowen.com)

不过，这种靠把一个物体撞碎来分析零件的做法，在事实上是有极限的。在许多后来做的粒子碰撞实验里，它的解释比上面所说的汽车碰撞实验更为复杂。在一个真实世界里，我们会发现一种很奇怪的现象，就是在两个粒子在碰撞以后，会产生很多静止质量远大于原来粒子的新粒子。这就好比上述的外星人把两部汽车对撞以后，他发现跑出来的物体完全不像汽车的零件，而是全新的物种，而且这些新产生的物种往往比车子还要大或重得多。例如，车子碰撞以后，出现了坦克、战斗机等（见图6.4）。

图6.4　对撞机实验出现的结果

在粒子对撞实验中，两个粒子在碰撞以后，会产生很多质量远大于原来粒子的新粒子。这就好比把两部汽车对撞以后，出现的物体不是汽车的零件，而是海豚、坦克、战斗机等与车子完全不一样的物体；其中一些新产生的物体其质量要远大于原来的汽车。传统的粒子概念无法解释这种现象。

于是这个外星人就一定要问，这些比原来的汽车重得多的新物体究竟是从哪里来的呢？

今天的粒子物理学家也正在面临着同样的问题：为什么当他们把粒子加速及碰撞以后会产生一些质量远比原来粒子大的新粒子呢？这些新的粒子从何而来？

要解答这个问题，物理学家基本可以有两个选择：（1）新的粒子事先已经存在于真空里面；（2）所有粒子都是真空的激发波，只要有足够的能量就可以激发某些波。在传统上，粒子物理学家偏向于采取第一种解释。在第三章中，我们介绍过，对于如何解释电子有反粒子的存在，人们认为这是狄拉克电子理论的预言。狄拉克推导出了著名的狄拉克方程。根据他的理论，在空间里有着无限数量的负能量电子，所有这些负能量的能级都被这些电子充满了，这个情景称为“狄拉克海洋”（Dirac sea）（见图6.5）。当有一个光子（如γ射线）打到了这个“海洋”之中，会把一个负能量的电子激发，将它变成一个正能量的电子。而在原来的负能量的能级处，留下了一个洞。这个洞就表现得像个带正电的电子（也就是电子的反粒子），即正电子。换句话说，正电子只是狄拉克海洋负能量电子中的一个洞。过去的粒子物理学家就凭这个理论来解释为何光子可以在真空中产生一对电子和其反粒子。

图6.5　狄拉克的海洋示意图

真空里有无穷个看不见的负能量的电子（圆圈）。当一个负能量的电子被γ射线激发，它就会变成一个正能量的自由电子，它留下的洞就会成为一个正电子。

在粒子物理学的发展历史上，许多科学家都是用狄拉克理论来解释粒子的来源的。他们也一直用这个模型来教学生。不过，这个理论也有局限性。首先，它意味着真空是非常复杂的，真空里必须充满无限量的负能量电子；而且，这些无限的负能量电子是我们无法观察到的。

其次，由于我们的世界里不仅仅有电子，还有很多其他的基本粒子。如果人们要用狄拉克的负能量电子海洋理论来解释其他粒子的来源的话，那么真空就必须同时充满着无限的负能量的各种基本粒子，包括各种轻子、各种夸克等。真空就成了一个非常拥挤的地方。

在狄拉克理论的基础上，粒子物理学家后来又发展了量子场理论（quantum field theory）。这个理论为粒子在真空中的产生提供了一个新的解释，认为真空中存在无数的“虚拟粒子”。平时你见不到也摸不着这些虚拟粒子，但是当真空被激发的时候，这些虚拟粒子就会转变成实体的粒子出现在空间里。有些喜欢看哈利·波特小说或电影的朋友大概还记得，哈利·波特有一袭隐身披风。当他披着这个披风的时候，人们就看不见他；但当他摘下这件披风时，人们就可以看到他了。这些真空里的虚拟粒子，就有点像披着哈利·波特隐身披风的粒子。只有当别的粒子把这个披风刮走时，这个隐身的粒子才会被人们看到。