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[5]有人提出过比中子星更致密的所谓“夸克星”（quark star）。不过“夸克星”即便存在，其密度也只会比中子星略大（如果说中子星像一个巨型原子核，那么夸克星就像一个巨型核子）。“夸克星”是否存在目前尚有争议，不过理论研究显示，无论它存在与否，都不太可能显著改变耗尽核聚变能量后大质量天体坍缩为黑洞的临界值。
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[6]不过，由于对中子星最大可能质量的计算以及对“最年轻黑洞”的质量估算都有一定的误差，因此该天体究竟是黑洞还是中子星目前尚有一定的争议，只能说它有较大的可能性是黑洞。
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[7]这个能量是指质心系能量。
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[8]严格讲，由高能宇宙射线产生的微型黑洞——如果有的话——与大型强子对撞机产生的微型黑洞有一个区别，那就是前者是高速运动的，从而会很快穿过地球。但研究表明，即便如此，假如那样的微型黑洞能够被产生，并且有毁灭星球的威力的话，宇宙中那些高度致密且具有强引力场的天体——比如白矮星和中子星——仍会因为俘获那样的黑洞而迅速灭亡，这同样与观测明显不符。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦
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绘画：张京
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 反物质浅谈
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一、一个令人苦恼的结果
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众所周知，科幻小说作为一种特殊形式的小说，常从现代科学的发展中吸取新概念，反物质就是常被吸收的新概念之一。20世纪40年代，美国科幻小说家威廉森（Jack Williamson）创作了一系列以反物质为题材的小说，称为C.T.故事，其中“C.T.”是他为反物质所拟的名称——“Contra-Terrene”——的缩写。威廉森的C.T.故事问世后不久，另一位美国科幻小说家阿西莫夫（Isaac Asimov）也在自己脍炙人口的机器人故事中引进了反物质的概念，他所设想的机器人大脑是所谓的“正电子脑”（positronic brain），而正电子乃是电子的反粒子，是反物质的基本组元之一。20世纪60年代，著名科幻电视连续剧《星际迷航》（Stat Trek）开始播出，在这部连续创作和播出约40年之久、拥有不止一代忠实粉丝的电视连续剧中，反物质是星际飞船的重要燃料。这一点如今已几乎成为了所有以星际旅行为题材的科幻小说的共同特点。反物质概念在科幻小说中的频频出现，使公众对这一概念也产生了浓厚兴趣。
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那么，反物质这一概念是何时，以何种方式被提出的？人们又是如何发现反物质的？反物质究竟是不是一种有效的星际飞船燃料？我们的宇宙中到底是物质多呢还是反物质多？这些或许是很多人不甚了解却不无兴趣的问题。本文将对这些问题作一些介绍。
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反物质这一概念在学术界的出现最早可以追溯到19世纪末。1898年，英国物理学家舒斯特（Arthur Schuster）在给《自然》（Nature）杂志的一封信中提到，既然电荷可以有负的，金子说不定也可以有负的，而且负金子说不定和我们熟悉的金子有着一样的颜色。这或许是有关反物质的想法在科学文献中的萌芽。不过舒斯特有关反物质的想法只是一种简单而模糊的思辨，没有真正的理论依据，因而也没有引起任何重视。反物质概念在物理学上的真正渊源，是从将近30年后的1927年开始的。那一年，量子力学奠基人之一的英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）提出了一个描述电子运动的数学方程。
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狄拉克所提出的这一方程——即所谓的狄拉克方程（Dirac equation）——是一个既具有量子力学特征，又满足狭义相对论要求的方程，在当时是很令人耳目一新的结果[1]。更漂亮的是，这一方程还出人意料地自动包含了一些此前为解释实验结果而不得不人为添加到量子力学中的东西，一些在当时看来绝非显而易见的东西，比如电子的自旋和磁矩。作为一个方程式，狄拉克方程的形式之简洁，内涵之丰富，预言之神奇，似乎达到了物理学家们梦寐以求的境界。
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但这一方程的“野心”似乎还不止于此，它还包含了另外一个重要结果——可惜这回却是一个令人苦恼的结果。
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这个令人苦恼的结果是：狄拉克方程所描述的电子的总能量既可以是正的，也可以是负的。这个结果之所以令人苦恼，是因为人们在自然界中从未发现过总能量为负的电子，因此狄拉克方程似乎允许存在一些自然界中不存在的东西。仅仅这样倒还罢了，因为允许存在的东西可以碰巧不存在，因此大不了假定自然界中所有电子的总能量碰巧都是正的。但不幸的是，按照量子力学，一个理论只要允许总能量为负的状态——即所谓的“负能量状态”，那么哪怕假定自然界中所有的电子的总能量碰巧都是正的，它们也会在很短的时间内通过量子跃迁进入到负能量状态，从而变成总能量为负的电子——也称为“负能量电子”。这种跃迁的结果无疑是灾难性的，与现实世界也大相径庭[2]。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、错误描述中的正确结论
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这么看来，狄拉克方程看似漂亮，实际上却似乎是错的，而且还错得相当离谱，足可把整个世界都搭进灾难里去。但是，狄拉克方程又分明包含了很多看起来正确得惊人的结果，一个错得如此离谱的方程又怎可能包含如此多正确得惊人的结果呢？莫非真的应了那句俗语：真理过头一步就是谬误？
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为了解决这个令人苦恼的两难问题，狄拉克于1930年提出了一个大胆的假设，那就是负能量电子的确是存在的，不仅存在，而且还很多，多到足以把所有负能量状态都占满的地步。有人也许会问：既然有这么多负能量电子，为什么人们在自然界中从未发现过呢？答案是：由所有这些负能量电子组成的“海”就是我们平时所说的真空，从而不存在直接的观测效应。狄拉克之所以提出这样古怪的假设，是因为当时人们已经知道了一条重要的物理原理，叫做泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），它表明任何两个电子都不能有相同的状态。既然任何两个电子都不能有相同的状态，那么一旦所有负能量状态都被负能量电子所占满，正能量电子也就不可能再通过量子跃迁进入到负能量状态了。这样一来，负能量状态的存在也就不再成为问题了。
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狄拉克的假设挽救了狄拉克方程，却带来了一个新问题。那就是他的假设虽然阻止了正能量电子进入负能量状态，却并不妨碍负能量电子因获得外来的能量而变成正能量电子。一旦出现这种情形，除产生一个正能量电子外，真空中还将出现一个因负能量电子空缺而形成的空穴，这种空穴等价于一个具有正能量，并且带正电荷的粒子。（请读者想一想这是为什么？）由此带来的新问题就是：这种带正电的粒子究竟是什么粒子呢？狄拉克的数学直觉告诉他那应该是一个质量与电子质量相同的粒子。但当时物理学家们所知道的唯一带正电的基本粒子是质子，其质量比电子质量大了1 800多倍。因此如果空穴所对应的带正电粒子的质量与电子质量相同，它将是一种新粒子，这是一个很大的麻烦。今天的读者也许难以理解这种视新粒子为麻烦的想法，因为换作是在今天，能够预言新粒子不仅不是麻烦，往往还会被认为是令人兴奋的结果（除非有显著的实验证据或理论依据表明所预言的新粒子不可能存在）。但提出新粒子这种后来一度成为家常便饭甚至蔚为时尚的做法，对当时的物理学家来说却几乎是一个思维禁区——一个连素以勇气著称的量子力学奠基者们也未敢轻易逾越的思维禁区。在这一思维禁区面前，具有极高数学天赋，并且一向崇尚数学美的狄拉克犯下了一生为数不多的显著错误之一，他放弃了自己的数学直觉，提出空穴对应的粒子是质子。
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