云室里的電子和反電子徑跡
大爆炸之后的138億年，宇宙仍然充滿各種天體，所有這些天體都是由物質(zhì)組成的。既然物質(zhì)都還在，那么反物質(zhì)都去哪里了？
在近日于美國芝加哥舉辦的第38屆高能物理國際會(huì)議上，日本科學(xué)家對(duì)于為什么現(xiàn)在的宇宙間充滿了正物質(zhì)而非反物質(zhì)，給出了一個(gè)解釋：中微子這種亞原子粒子在物質(zhì)形態(tài)和反物質(zhì)形態(tài)的表現(xiàn)不同。不過，他們也表示，還需要收集更多數(shù)據(jù)才能對(duì)此解釋進(jìn)行確認(rèn)。
為什么宇宙中有物質(zhì)？這是物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。恒星、行星、星系和星系團(tuán)都是由物質(zhì)構(gòu)成的，植物和動(dòng)物也是由物質(zhì)構(gòu)成的。本來這是極為自然的事情，但是另一種奇怪的東西出現(xiàn)后，我們就陷入了理解的困境，這種東西就是反物質(zhì)。
根據(jù)我們對(duì)宇宙起源和反物質(zhì)的了解，物質(zhì)和反物質(zhì)都應(yīng)該是不存在的。因?yàn)椋次镔|(zhì)具有一個(gè)非常重要的特點(diǎn)：當(dāng)它和物質(zhì)結(jié)合時(shí)，會(huì)相互湮滅抵消，并產(chǎn)生巨大能量（光子）。另一方面，物理定律表明，宇宙大爆炸產(chǎn)生的巨大能量應(yīng)該創(chuàng)造了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。而問題就出現(xiàn)在這里——按理說，等量的物質(zhì)和反物質(zhì)相遇，就會(huì)“同歸于盡”?？墒谴蟊ㄖ蟮?38億年，宇宙仍然充滿各種天體，所有這些天體都是由物質(zhì)組成的。既然物質(zhì)都還在，那么反物質(zhì)都去哪里了？
反物質(zhì)是如何被發(fā)現(xiàn)的？
我們先從反物質(zhì)的物理淵源說起。故事開始于1928年左右。當(dāng)時(shí)，物理學(xué)正處于重大改變期。愛因斯坦提出了相對(duì)論，闡述了引力的本質(zhì)，以及當(dāng)物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。而另一群物理學(xué)家正在發(fā)展量子力學(xué)，來描述粒子的行為。與此同時(shí)，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克試圖將這兩者聯(lián)系起來。
狄拉克提出了一個(gè)描述電子運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程式，即狄拉克方程。這是一個(gè)既具有量子力學(xué)特征，又滿足狹義相對(duì)論要求的方程。在方程中，和電子共同存在的還有另一種粒子。它并不是傳統(tǒng)帶負(fù)電荷的電子，而是奇怪的帶著正電荷的電子——也就是電子的反粒子。
1931年，狄拉克預(yù)言了電子的反粒子即“反電子”的存在，他還進(jìn)一步提出質(zhì)子及其他粒子也應(yīng)該有相應(yīng)的反粒子。如果所有粒子都有反粒子，那么就有可能存在完全由反粒子組成的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是反物質(zhì)。這是人類第一次意識(shí)到可能存在反物質(zhì)。
其實(shí)早在狄拉克提出反粒子概念之前，反粒子就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里留下了蹤跡，但被實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家忽略了。那時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)探測帶電粒子徑跡的主要工具是“云室”，云室中高能粒子經(jīng)過的路徑上會(huì)出現(xiàn)一條白色的霧，也就是粒子運(yùn)動(dòng)的徑跡。
在云室內(nèi)施加磁場后，帶電粒子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生彎曲的徑跡。一些科學(xué)家注意到，磁場中有一半電子向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，另一半向相反方向偏轉(zhuǎn)。然而長期以來，人們一直認(rèn)為電子只有一種，因此他們未曾想到那些反常的徑跡是反粒子造成的。
在狄拉克預(yù)言“反電子”之后，美國物理學(xué)家卡爾·安德森懷疑云室中另一半的電子就是“反電子”，于是他開始做實(shí)驗(yàn)來證明。1932年8月，他收集到了足夠的數(shù)據(jù)，正式確認(rèn)“反電子”的存在，并將它們命名為“正電子”。
至此之后，反物質(zhì)成為了物理學(xué)以及科幻小說的一部分。
如何找到宇宙中的反物質(zhì)？
根據(jù)狄拉克方程，反物質(zhì)會(huì)和普通物質(zhì)遵守一樣的自然規(guī)律。在這種情況下，宇宙中的物質(zhì)與反物質(zhì)的含量必須相等，所以有可能存在“反物質(zhì)星球”和“反物質(zhì)星系”，但是我們?nèi)绾握业接钪嬷械姆次镔|(zhì)呢？
為了尋找反物質(zhì)，天文學(xué)家將目標(biāo)放在每時(shí)每刻轟擊地球大氣層的宇宙射線上。果不其然，1936年，科學(xué)家在宇宙射線中看到了正電子的身影。
2008年，科學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)了一朵龐大但稀薄的反物質(zhì)云。它圍繞在銀河系中心附近，并發(fā)出伽馬射線。歐洲航天局的射線衛(wèi)星觀測表明，這朵云并不在銀河系的正中間，似乎是尾隨著某顆散發(fā)X射線的恒星。這里的反物質(zhì)可能不是宇宙誕生時(shí)遺留下來的，它們更有可能起源于恒星。這顆恒星周圍有一個(gè)黑洞，當(dāng)恒星周圍的氣體脫離恒星，就會(huì)被黑洞“吃掉”，這個(gè)高能的過程將產(chǎn)生反物質(zhì)。
不過，能釋放反物質(zhì)的不只有恒星。平均而言，每一小時(shí)左右，香蕉會(huì)吐出一個(gè)正電子。這是因?yàn)橄憬吨泻刑烊环派湫酝凰剽?40。當(dāng)它衰變時(shí)偶爾會(huì)釋放出一個(gè)正電子，而當(dāng)正電子遇上第一個(gè)電子時(shí)，也會(huì)湮滅釋放能量，不過所釋放的能量是微不足道的。而事實(shí)上，我們的身體里也有鉀-40，也會(huì)發(fā)生這一過程。但它們不能完全代表原始反物質(zhì)，我們需要尋找的是更重的原始反物質(zhì)粒子，比如反氦核。
可是自然界中沒有足夠的力量來產(chǎn)生一個(gè)反氦核，只有宇宙大爆炸才能做到。所以，如果我們發(fā)現(xiàn)像反氦核這樣的粒子，那么接下來可能會(huì)找到更多的原始反物質(zhì)，甚至是擁有很多反物質(zhì)的宇宙區(qū)域。如果檢測到反碳核，那么意義就更加重大了。碳只能在恒星的“核熔爐”里形成，反碳核的現(xiàn)身，意味著太空中的某處存在“反物質(zhì)星球”，這將是天文學(xué)一次偉大的突破。
反物質(zhì)和物質(zhì)是對(duì)稱存在的嗎？
2011年，阿爾法磁譜儀探測器被送到國際空間站，它是專門用來測量宇宙射線中反物質(zhì)的數(shù)量和類型的。至2013年，阿爾法磁譜儀已經(jīng)看到過40萬個(gè)正電子，但沒有發(fā)現(xiàn)其他種類的反物質(zhì)。到目前為止，仍沒有證據(jù)表明原始反物質(zhì)潛伏在太空某處。
所以只剩下一種可能：反物質(zhì)和物質(zhì)雖然是對(duì)稱的，但“性格”卻不一樣。
幾十年來，粒子物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)多次看到粒子與反粒子有不同的行為反應(yīng)。這要從所謂的“弱核力”說起，弱核力是自然界的四大基本力之一，亞原子放射性衰變就是由它引起的。弱核力，加上引力、電磁力，它們共同控制著規(guī)模巨大的宇宙。剩下的一種是強(qiáng)核力。強(qiáng)核力的作用范圍很小，大約只有原子核般的大小。
1964年物理學(xué)家在研究K介子衰變時(shí)，發(fā)現(xiàn)K介子能自然衰變成反K介子，反K介子也可以衰變?yōu)镵介子，但是這兩個(gè)過程發(fā)生的頻率卻不一樣。因此，一些科學(xué)家推測，宇宙在弱核力的作用下，也可能發(fā)生類似的情況——由于宇宙大爆炸時(shí)存在某些過程，更有利于物質(zhì)的產(chǎn)生，或者說物質(zhì)的產(chǎn)生頻率更快。導(dǎo)致反物質(zhì)的量不足，物質(zhì)的量過剩，而剩余的物質(zhì)組成了今天的宇宙。科學(xué)家給出的估計(jì)是每形成10億個(gè)反物質(zhì)，可能就會(huì)產(chǎn)生十億零一個(gè)物質(zhì)。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了這個(gè)猜測，在面對(duì)弱核力時(shí)，物質(zhì)和反物質(zhì)確實(shí)有不一樣的反應(yīng)。
科學(xué)家參考了對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)，估測宇宙早期可以產(chǎn)生多少反物質(zhì)，可惜答案并不是科學(xué)家們所期望看到的。之前給出的估計(jì)是每形成10億個(gè)反物質(zhì)的同時(shí)就產(chǎn)生十億零一個(gè)物質(zhì)，這意味著宇宙剛誕生時(shí)差不多有一半仍舊是反物質(zhì)。然而，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，宇宙剛誕生時(shí)的反物質(zhì)質(zhì)量只相當(dāng)于一個(gè)普通的星系。顯然，這和科學(xué)家估計(jì)的情況有非常大的差異，說明反物質(zhì)的研究任務(wù)還很艱巨。
宇宙到底有沒有另一半？有的話，它會(huì)在哪里？反物質(zhì)和物質(zhì)為什么會(huì)有不同的行為？宇宙誕生之初究竟發(fā)生了什么？這些問題仍尚待解決?？梢姾棋钪鎸?duì)于人類來說，依舊深不可測。
