云室里的电子和反电子径迹

　　大爆炸之后的138亿年，宇宙仍然充满各种天体，所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在，那么反物质都去哪里了？

　　在近日于美国芝加哥举办的第38届高能物理国际会议上，日本科学家对于为什么现在的宇宙间充满了正物质而非反物质，给出了一个解释：中微子这种亚原子粒子在物质形态和反物质形态的表现不同。不过，他们也表示，还需要收集更多数据才能对此解释进行确认。

　　为什么宇宙中有物质？这是物理学中最大的谜团之一。恒星、行星、星系和星系团都是由物质构成的，植物和动物也是由物质构成的。本来这是极为自然的事情，但是另一种奇怪的东西出现后，我们就陷入了理解的困境，这种东西就是反物质。

　　根据我们对宇宙起源和反物质的了解，物质和反物质都应该是不存在的。因为，反物质具有一个非常重要的特点：当它和物质结合时，会相互湮灭抵消，并产生巨大能量（光子）。另一方面，物理定律表明，宇宙大爆炸产生的巨大能量应该创造了等量的物质和反物质。而问题就出现在这里——按理说，等量的物质和反物质相遇，就会“同归于尽”。可是大爆炸之后的138亿年，宇宙仍然充满各种天体，所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在，那么反物质都去哪里了？

　　反物质是如何被发现的？

　　我们先从反物质的物理渊源说起。故事开始于1928年左右。当时，物理学正处于重大改变期。爱因斯坦提出了相对论，阐述了引力的本质，以及当物体以接近光速运动时会发生什么情况。而另一群物理学家正在发展量子力学，来描述粒子的行为。与此同时，英国物理学家保罗·狄拉克试图将这两者联系起来。

　　狄拉克提出了一个描述电子运动的数学方程式，即狄拉克方程。这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。在方程中，和电子共同存在的还有另一种粒子。它并不是传统带负电荷的电子，而是奇怪的带着正电荷的电子——也就是电子的反粒子。

　　1931年，狄拉克预言了电子的反粒子即“反电子”的存在，他还进一步提出质子及其他粒子也应该有相应的反粒子。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组成的物质，这种物质就是反物质。这是人类第一次意识到可能存在反物质。

　　其实早在狄拉克提出反粒子概念之前，反粒子就已经在实验室里留下了踪迹，但被实验物理学家忽略了。那时实验室内探测带电粒子径迹的主要工具是“云室”，云室中高能粒子经过的路径上会出现一条白色的雾，也就是粒子运动的径迹。

　　在云室内施加磁场后，带电粒子会发生偏转，产生弯曲的径迹。一些科学家注意到，磁场中有一半电子向一个方向偏转，另一半向相反方向偏转。然而长期以来，人们一直认为电子只有一种，因此他们未曾想到那些反常的径迹是反粒子造成的。

　　在狄拉克预言“反电子”之后，美国物理学家卡尔·安德森怀疑云室中另一半的电子就是“反电子”，于是他开始做实验来证明。1932年8月，他收集到了足够的数据，正式确认“反电子”的存在，并将它们命名为“正电子”。

　　至此之后，反物质成为了物理学以及科幻小说的一部分。

　　如何找到宇宙中的反物质？

　　根据狄拉克方程，反物质会和普通物质遵守一样的自然规律。在这种情况下，宇宙中的物质与反物质的含量必须相等，所以有可能存在“反物质星球”和“反物质星系”，但是我们如何找到宇宙中的反物质呢？

　　为了寻找反物质，天文学家将目标放在每时每刻轰击地球大气层的宇宙射线上。果不其然，1936年，科学家在宇宙射线中看到了正电子的身影。

　　2008年，科学家在银河系中发现了一朵庞大但稀薄的反物质云。它围绕在银河系中心附近，并发出伽马射线。欧洲航天局的射线卫星观测表明，这朵云并不在银河系的正中间，似乎是尾随着某颗散发X射线的恒星。这里的反物质可能不是宇宙诞生时遗留下来的，它们更有可能起源于恒星。这颗恒星周围有一个黑洞，当恒星周围的气体脱离恒星，就会被黑洞“吃掉”，这个高能的过程将产生反物质。

　　不过，能释放反物质的不只有恒星。平均而言，每一小时左右，香蕉会吐出一个正电子。这是因为香蕉中含有天然放射性同位素钾-40。当它衰变时偶尔会释放出一个正电子，而当正电子遇上第一个电子时，也会湮灭释放能量，不过所释放的能量是微不足道的。而事实上，我们的身体里也有钾-40，也会发生这一过程。但它们不能完全代表原始反物质，我们需要寻找的是更重的原始反物质粒子，比如反氦核。

　　可是自然界中没有足够的力量来产生一个反氦核，只有宇宙大爆炸才能做到。所以，如果我们发现像反氦核这样的粒子，那么接下来可能会找到更多的原始反物质，甚至是拥有很多反物质的宇宙区域。如果检测到反碳核，那么意义就更加重大了。碳只能在恒星的“核熔炉”里形成，反碳核的现身，意味着太空中的某处存在“反物质星球”，这将是天文学一次伟大的突破。

　　反物质和物质是对称存在的吗？

　　2011年，阿尔法磁谱仪探测器被送到国际空间站，它是专门用来测量宇宙射线中反物质的数量和类型的。至2013年，阿尔法磁谱仪已经看到过40万个正电子，但没有发现其他种类的反物质。到目前为止，仍没有证据表明原始反物质潜伏在太空某处。

　　所以只剩下一种可能：反物质和物质虽然是对称的，但“性格”却不一样。

　　几十年来，粒子物理实验已经多次看到粒子与反粒子有不同的行为反应。这要从所谓的“弱核力”说起，弱核力是自然界的四大基本力之一，亚原子放射性衰变就是由它引起的。弱核力，加上引力、电磁力，它们共同控制着规模巨大的宇宙。剩下的一种是强核力。强核力的作用范围很小，大约只有原子核般的大小。

　　1964年物理学家在研究K介子衰变时，发现K介子能自然衰变成反K介子，反K介子也可以衰变为K介子，但是这两个过程发生的频率却不一样。因此，一些科学家推测，宇宙在弱核力的作用下，也可能发生类似的情况——由于宇宙大爆炸时存在某些过程，更有利于物质的产生，或者说物质的产生频率更快。导致反物质的量不足，物质的量过剩，而剩余的物质组成了今天的宇宙。科学家给出的估计是每形成10亿个反物质，可能就会产生十亿零一个物质。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中进行的实验加强了这个猜测，在面对弱核力时，物质和反物质确实有不一样的反应。

　　科学家参考了对撞机的数据，估测宇宙早期可以产生多少反物质，可惜答案并不是科学家们所期望看到的。之前给出的估计是每形成10亿个反物质的同时就产生十亿零一个物质，这意味着宇宙刚诞生时差不多有一半仍旧是反物质。然而，根据实验结果，宇宙刚诞生时的反物质质量只相当于一个普通的星系。显然，这和科学家估计的情况有非常大的差异，说明反物质的研究任务还很艰巨。

　　宇宙到底有没有另一半？有的话，它会在哪里？反物质和物质为什么会有不同的行为？宇宙诞生之初究竟发生了什么？这些问题仍尚待解决。可见浩瀚宇宙对于人类来说，依旧深不可测。