追寻宇宙中的反物质之谜

探索反物质之谜

也许宇宙中有个和我们的世界很像的世界

反物质就是由反粒子组成的物质。所有的粒子都有反粒子，这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数与之相反。反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。

当你照镜子时，镜中的那个你如果真的存在，并出现在你面前，会怎么样呢？科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜中那个你叫做“反你”。科学家想象很远的地方有个和我们的世界很像的世界，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。反物质正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。例如，氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成。物质和反物质相遇后会湮灭，释放出大量能量，能量释放率要远高于氢弹爆炸。科学家认为，制造出大量反氢原子，有助于验证CPT守恒假设的正确性和宇宙标准模型的普适性。如果发现反氢原子与氢原子在物理规律上并不完全对等，将给物理学和宇宙学的一些基础问题带来非常重要的新启发。例如宇宙大爆炸理论认为，宇宙诞生时，从虚无中产生了相等数量的物质和反物质。但人们观察到的宇宙中，物质显然占绝对的主导地位。对反氢原子的研究，可能有助于解开这个疑点。

反物质

湮灭典型的反物质引擎飞船想象图(www.xing528.com)

反物质是正常物质的反状态。反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在20世纪30年代预言，每一种粒子应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反。根据大爆炸理论，宇宙诞生之初，产生了等量的物质与反物质。可能由于某种原因，大部分反物质转化为了物质，或者难于被观测到，导致在我们看来这个世界主要由物质组成。一个由日本和美国科学家组成的研究小组，计划在南极上空放飞气球，捕捉反物质天体释放出的反粒子，寻找反物质天体（如反星系）存在的证据。日美研究小组曾在加拿大用气球进行观测，该地区受地球磁场和大气影响很小，但为了不让气球飞跑，必须当天回收。而在南极上空，气球可持续飞行两周，观测数据能大幅度增加。现在，人们发现和制造的反物质粒子虽然不多，但正电子作为反物质的一种形式在美国已经有了许多实际用途，例如，正电子发射X射线层析照像术，医生利用它对人体进行扫描，不仅能得出病人软组织的详细图像，而且能够观察人们体内的化学过程以及在进行认识活动时大脑各部分消耗“燃料”的速度。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20世纪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20世纪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。20世纪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。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。这些经验使科学家们认识到，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。任何一个重子都具有重子数B=+1，则任一个反重子都具有重子数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，由它们的反粒子组成的物质相应的叫反物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反粒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？这个未解之谜有待于我们去进一步的探索和研究。

欧洲粒子物理研究所制造出的反氢

反物质武器

反物质武器是目前核武器中最强、最重要的一种。美国费米国立加速器研究所，法国和瑞士合建的欧洲研究中心，俄罗斯高能物理研究所都在做此研究。中国的反物质研究所始于20世纪80年代初，由世界著名的核物理学家、反物质发现者赵中尧担任技术顾问，因此西方称他为“中国反物质武器之父”。关于这方面的公开资料几近于无，其高度保密性正反映了其极端重要性，只能通过正负电子对撞机的零碎进展作为这种武器进展的参考。1986年首次发现反物质，由于极少量的物质同它的反物质相互作用，能够释放出极大的能量。可用作热核爆炸的扳机，或者激励出极强的X射线或γ射线激光，如今，反物质研究成为目前各国研究的重点。