中国新歌声 剧透:什么是反物质?

反物质是物质的镜像。物质由原子组成,原子又由质子、中子和电子组成。质子带正电,电子带...通常物质中没有发现过反物质,即使在实验条件下,反质子也一瞬即逝。

当你照镜子时，看一看在镜子中的那个你，如果那个镜子里的家伙真的存在，并出现在你的面前，会怎么样呢？

科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜子中的那个你叫做“反你”。他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界，或者说是我们的世界在镜子里的像。它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。但是反物质是什么，这一切又可能是真实的吗？

对于“反物质是什么”这个问题，并没有恶作剧的意味。反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。直到最近，宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的。在1928年，英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）。Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性。Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子。而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在。这些反粒子，顾名思义，是一般物质的镜像。每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量，但是电荷相反。以下是20世纪发现的一些反粒子。

正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子。由CarlAnderson在1932年发现，正电子是反物质存在的第一个证据。 反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子。由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子。

反原子——正电子和反质子组合在一起，由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）。共制造了九个反氢原子，每一个的生命只有40纳秒。到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个。当反物质和物质相遇的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，放射出纯的射线，这些射线以光速穿过爆炸点。这些产生爆炸的粒子被完全消灭，只留下其它亚原子粒子。物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量。科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多。 所以，为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢？建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏。如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质，我们将可能看到围绕我们的这些反应。既然我们的周围并不存在反物质，我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光。

在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了。并且因为开始的时候有更多的粒子存在，所以现在的粒子是所有留下来的那些。今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在，也意味着存在天然的反物质，所以我们将不再需要制造反物质。

但是目前，我们将不得不创造我们自己的反物质。幸运的是，通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的。离子加速器，象CERN，是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道，超磁场可以使原子以接近光速的速度推进。当原子通过加速器出来时，它轰击目标，创造出粒子。这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子。这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子。一毫微克是一克的十亿分之一。所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟。如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现。

l 粒子物理中的反物质概念

我们知道，把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源，它们都是由质子、中子和电子所组成的。这些粒子因而被称为基本粒子，意指它们是构造世上万物的基本砖块，事实上基本粒子世界并没有这么简单。在30年代初，就有人发现了带正电的电子，这是人们认识反物质的第一步。到了50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。

电子和反电子的质量相同，但有相反的电荷。质子与反质子也是这样。那么中子与反中子的性质有什么差别？其实粒子实验已证实，粒子与反粒子不仅电荷相反，其他一切可以相反的性质也都相反。这里我们讨论一下重子数的概念。

质子与中子被统称为核子。人们从核现象的研究发现，质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但在转化前后，系统的总核子数是不变的。50年代起的粒子实验表明，还有很多种比核子重的粒子，它们与核子也属同一类，这类粒子于是被改称为重子，核子仅是其最轻的代表，一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化，系统中的重子个数是不会改变的。

由于重子数的守恒性，两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，那么反核子应当怎么产生？实验表明，反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的。例如

p+p → N+N+N+N'+若干 π 介子

其中N代表质子或中子，N'代表反质子或反中子。反核子一旦产生，它常很快与周围的某个核子再相碰而咸对地湮灭。例如

N+N' → 若干 π 介子

对于比核子更重的重子，情况完全一样。反重子也总是与重子成对地产生，成对地湮灭的。这些经验使人们认识到，重子数的守恒规律需要重新认识。

现在人们把重子数B当作描述粒子性质的一种荷。正反重子不仅有相反的电荷，而且也有相反的重子数B。令任一个重子都具有重子数B=+1，则任一个反重子都具有B=-1。介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数，即它们有B=0。重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B。这表述既反映了不涉及反粒子时的重子个数不变，也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭。现在我们容易理解中子和反中子的区别了，它们具有相反的重子数B，因此反中子能与核子相碰导致湮灭，而中子则不能。

此外，人们还类似地发现了轻子数的守恒性。中微子虽不带电，也不具有重子数，但它与反中微子具有相反的轻子数。按轻子数的守恒性，中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的，实验还表明，介子数和规范粒子数是不具有守恒性的。这样我们看到，电荷只是粒子的一种属性，另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性。正反粒子的这些属性也都是相反的。

我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此，这样的物质被称为正物质，由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反拉子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而却几乎没有反物质呢？这正是我们现在要讨论的问题。

2 宇宙中有反物质天体吗？

粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核，反核和反电子结合在一起，就能组成反原子。我们的正物质世界有多少种原子，相应在反物质世界中也能有多少种反原子，而且它们在结构上将是完全没有区别的，延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系就应当存在。因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？

要由观测来分辨远处星系由物质构成或反物质构成并不容易，至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。原则上，正物质天体若辐射光子，那么同样的反物质天体应当辐射反光子。但是光子是纯中性的粒子，因此光子与反光子是同一种粒子。这样，天文学家通过可见光、射电、X射线或 γ 射线观测，原则上无法区分他的目的物是由物质构成还是由反物质构成。恒星和星系除了辐射光子外，它们还辐射中微子。中微子与反中微子很不一样，如果天文学家能接收中微子，那么他就能区分物质天体与反物质天体。可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱，造一个能接收它们的仪器很困难。今天用这办法来区分物质天体或反物质天体还办不到。那么让我们问：与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组彻吗？

月亮是离我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。如果月球是由反物质组成的，那么在那位宇航员与月球接触时，湮灭过程早已把他转化为介子了。这是直接证据，表明月亮是正物质天体。至于太阳，那是人类没有可能登陆的地方。那么怎么才能知道它不是由反物质组成的呢？太阳表面的气体很热，其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度，这就是太阳风的起因，若太阳是反物质恒星，太阳风就由反原子组成，它吹到行星上，就会和行星的正原子相湮灭。于是正物质组成的行星会逐渐消失掉，这种消失过程没有发生，就证明了整个太阳系中没有反物质天体。这样，如果要存在反物质天体，它至少应在太阳系之外。

把眼光放远到整个银河系，要问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中，会有一部分是反恒星吗？今天人们也已能肯定地回答：不会有。我们从地面上能接收到太空中飞行的宇宙射线。观测统计表明，宇宙射线粒子中反质子仅是质子的万分之几，并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物，而不是原始的，此外宇宙射线中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子却一个也没有发现过，这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的。如果银河系中有反物质恒星，那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭。湮灭产生的 π 0 介子将很快衰变而成 γ 光子。因此这种湮灭过程是能够通过 γ 射线的观测来发现的。正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的 γ 光子，使人们知道，银河系中并没有反恒星的存在，整个银河系都是由正物质组成的。

我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系，原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体。因此，若既有正物质星系又有反物质星系，那么正反物质必会相遇，相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 γ 射线，而没有找到过。于是得出结论：在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。

在这样的结果面前，人们的看法分成了两种。一种认为宇宙中正反物质应当是等量的，需要的是从更远处去寻找反物质星系存在的证据。另一种认为事实已暗示，宇宙中没有大量的反物质存在，需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。

3 继续寻找反物质的努力

1998年的夏天，美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传过它。

如果相信宇宙中有等量的物质和反物质，那么在三千万光年之外应有大范围的反星系区存在。在那里，原始的宇宙射线应是由反质子和反 α 粒子组成的。那里的部分宇宙射线粒子会飞进我们这个由正物质构成的区域。由于星系际大部分地方很空旷，气体的密度约只有每立方米一个质子的质量。因此反原子核可自由地飞行很长的距离。这样，放置在地球大气层之外的磁谱仪就能接收到它。这就是阿尔法磁谱仪计划的基本想法。

上面已提到，实际测到的并不只是原始的射线粒子，它也包含由中途碰撞产生的次级粒子。因此当我们从宇宙射线中发现了反质子，它并不说明远处一定有反物质天体区存在。这些反质子完全可能是次级产生的。反原子核就不一样。它是由若干个反核子结合而成的复合体，所以不可能是碰撞产生的次级粒子。因此，如果能从宇宙射线中观测到那怕只有一个反 α 粒子，它将是有力的证据，表明远处有反物质天体存在。阿尔法磁谱仪能同时准确地测定飞入仪器的粒子的质量和电荷。当太空中有反 α 粒子飞入磁谱仪，它是容易被分辨出来的。这正是设计者所期望的事。现在阿尔法磁谱仪升空已有一年了，它接收到的信息正在陆续送回，其结果无疑非常令人关注。

若阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在，那它肯定是一个里程碑式的成果。它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体，更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按现有的物理理论，没有一种己知的作用力能使它们发生大范围的分离。因此，如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质，物理学将需要突破性的变化。

4 正反物质的不对称疑难

在多数理论家看来，宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。因此，三千万光年的范国内没有反物质天体，已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信，极早期宇宙中正反物质应当等量。这样，需要做的事是寻找物理机理，来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态。这里，理论家也遇到了非常尖锐的困难。

按照大爆炸理论，甚早期宇宙介质的温度非常高。粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。当粒子的成对湮灭与成对产生达到统计平衡，宇宙介质就是一切基本粒子构成的混合气体，且任一种稳定或不稳定的粒子都有接近相等的数密度。至于重子和反重子的数目是否严格相等，这不是由物理规律决定，而是由初条件决定的。

在理论家看来，在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出，若这想法是对的，重子的守恒性立即会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至10 13 K以下，由于粒子的热动能已不够，热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终，宇宙中将既没有重子，也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景。事实上，今天宇宙中光子的数目最多．重子的数目是它的十万万分之一左右，反重子的数目很可能还要低许多量级。如果重子数B的守恒性是严格的物理规律，要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后，理论家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子，那么问题的出路在哪儿？

重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗？至今难以计数的拉子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例，但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴。化学反应是元素的重新组合。经验表明，在重组合的前后，每一种元素的原子数是守恒的，无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败，更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识后人们已清楚知道，汞变成金完全可能，关键在于要有高的能量让原子核发生变化。化学反应是在粒子能量小于1eV的条件下进行的，这条件下原子核不能相互接触，核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过1MeV，原子核之间就能充分接近，那么原子核就能变化了，原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来，原子数在化学过程中的守恒不是偶然的，但是它仅是低能下的唯象规律，而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理，重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律，而不是普遍成立的。当粒子的能量更高，重子数的守恒性完全可能会不成立，这正是今天的理论家看到的出路。

从70年代中期起，粒子物理中由弱电统一理论的成功，掀起了研究相互作用大统一的潮流。按这样的理论，高能下发生破坏重子数守恒的过程是自然的事，粒子物理中的这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合了。于是这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展。人们已清楚，要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质为主的状态，除了重子数守恒须可能被破坏外，正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别。由于超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握，因此实际上自然界是否确实具备这两个要素，尚不能回答，人们正在试探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实，问题是否能按这思路得到解决也还并不完全肯定。

总之，为彻底揭开宇宙反物质之谜，前面还有漫长路要走。人们已能预料，这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的，它对物理学的影响也将是很深刻的。