反物質之謎： 宇宙丟失的另一半
物理學中最大的謎團之一就是——為什麼宇宙中有物質？
恆星、行星、星系和星系團都是由物質構成的，植物和動物也是由物質構成的。本來這是極為自然的事情，但是另一種奇怪的東西出現後，我們就陷入了理解的困境，這種東西就是反物質。
根據我們對宇宙起源和反物質的了解，物質和反物質都應該是不存在的。因為，反物質具有一個非常最重要的特點：當它和物質結合時，會相互湮滅抵消，併產生巨大能量（光子）。另一方面，物理定律表明，宇宙大爆炸產生的巨大能量應該創造了等量的物質和反物質。而問題就出現在這了——按理說，等量的物質和反物質相遇，就會「同歸於盡」。可是大爆炸之後的138億年，宇宙仍然充滿各種天體，所有這些天體都是由物質組成的。既然物質都還在，那麼反物質都去哪裡了？
反物質的現身
我們先從反物質的物理淵源說起。故事開始於1928年左右。當時，物理學正處於重大改變期。愛因斯坦提出了相對論，闡述了引力的本質，以及當物體以接近光速的速度運動時會發生什麼情況。幾乎同時，另一群物理學家正在發展量子力學，來描述粒子的行為。與此同時，英國物理學家保羅·狄拉克試圖將這兩者聯繫起來。
狄拉克提出了一個描述電子運動的數學方程式，即狄拉克方程。這是一個既具有量子力學特徵，又滿足狹義相對論要求的方程。在方程中，和電子共同存在的還有另一種粒子。它並不是傳統帶負電荷的電子，而是奇怪的帶著正電荷的電子——也就是電子的反粒子。
1931年，狄拉克預言了電子的反粒子即「反電子」的存在，他還進一步提出質子及其它粒子也應該有相應的反粒子。如果所有粒子都有反粒子，那麼就有可能存在完全由反粒子組成的物質，這種物質就是反物質。這是人類第一次意識到可能存在反物質。
其實早在狄拉克提出反粒子概念之前，反粒子就已經在實驗室里留下了蹤跡，但被實驗物理學家忽略了。那時實驗室內探測帶電粒子徑跡的主要工具是「雲室」，雲室中的高能粒子經過的路徑上會出現一條白色的霧，也就是粒子運動的徑跡。
在雲室內施加磁場後，帶電粒子會發生偏轉，產生彎曲的徑跡。一些科學家注意到，磁場中有一半電子向一個方向偏轉，另一半向相反方向偏轉。然而長期以來，人們一直認為電子只有一種，因此他們未曾想到那些反常的徑跡是反粒子造成的。
在狄拉克預言「反電子」之後，美國物理學家卡爾·安德森懷疑雲室中另一半的電子就是「反電子」，於是他開始做實驗來證明。1932年8月，他收集到了足夠的數據，正式確認「反電子」的存在，並將它們命名為「正電子」。
至此之後，反物質成為了物理學以及科幻小說的一部分。
來自高空的身影
根據狄拉克方程，反物質會和普通物質遵守一樣的自然規律。在這種情況下，宇宙中的物質與反物質的含量必須相等，所以有可能存在「反物質星球」和「反物質星系」，但是我們如何找到宇宙中的反物質呢？
1911年至1913年期間，奧地利物理學家維克托·赫斯多次搭乘了熱氣球，他可不是為了短途旅行，而是為了做實驗。自19世紀末發現放射現象以來，人們一直認為粒子放射水平會隨著海拔的升高而降低，因為人們認為海平面水平上的輻射來自岩石中的放射性元素。
赫斯將粒子探測器帶在身邊，乘坐熱氣球測試空中的輻射量。經歷了很多次熱氣球飛行後，他發現了一個令人吃驚的結果：探測器的輻射量竟然是隨著海拔高度的上升而增加的！這完全違背了人們之前的想法。
於是，物理學家們提出了下一個假設：如果這些輻射來自太空，那麼一定來自於太陽。赫斯對此又進行了實驗，在一次全日食的情況下，他依舊帶著探測器搭乘熱氣球飛行，他發現即使月球完全擋住了太陽，探測器的輻射量仍然跟之前一樣，隨著海拔的上升而增加。他得出結論：輻射來自深太空。這些輻射叫做宇宙射線，它很快成為物理學家研究的焦點。
為了尋找反物質，天文學家將目標放在每時每刻轟擊地球大氣層的宇宙射線上。果不其然，1936年，科學家在宇宙射線中看到了正電子的身影。
搜索太空
2008年，美國俄亥俄州立大學加里·史德曼教授想到了另一種方法也許能找到宇宙中的反物質。因為有些時候巨大的星系團之間會相互碰撞，假設其中一個星系團是由物質組成，另一個則由反物質組成，那麼它們碰撞後會相互湮滅，放出大量的X射線和伽馬射線。
為了尋找反物質，史德曼將星際中「嚴重撞車事故」的產物——子彈星系團列為研究對象。他仔細查看了美國宇航局錢德拉X射線天文台和康普頓伽瑪射線天文台的觀測結果，但都沒有什麼重大發現，X射線和伽瑪射線的量很少，那裡大約每100萬個粒子中才有3個反粒子。
同一年，科學家們在我們的銀河系中發現了一朵龐大但稀薄的反物質雲。它圍繞在銀河系中心附近，並發出伽瑪射線。歐洲航天局的射線衛星觀測表明，這朵雲並不在銀河系的正中間，似乎是尾隨著某顆散發X射線的恆星。這裡的反物質可能不是宇宙誕生時遺留下來的，它們更有可能起源於恆星。這顆恆星周圍有一個黑洞，當恆星周圍的氣體脫離恆星，會被黑洞「吃掉」，這個高能的過程將產生反物質。
不過，能釋放反物質的不只有恆星。平均而言，每一小時左右，香蕉會吐出一個正電子。這是因為香蕉中含有天然放射性同位素鉀-40。當它衰變時偶爾會釋放出一個正電子，而當正電子遇上第一個電子時，也會湮滅成能量，不過所釋放的能量是微不足道的。而事實上，我們的身體里也有鉀-40，也會發生這一過程。
可見，宇宙中、實驗室里很容易就產生正電子，但它們不能完全代表原始反物質，我們需要尋找的是更重的原始反物質粒子，比如反氦核。
可是自然界中沒有足夠的力量來產生一個反氦核，只有宇宙大爆炸才能做到。所以，如果我們發現像反氦核這樣的粒子，那麼接下來可能會找到更多的原始反物質，甚至是擁有很多反物質的宇宙區域。如果檢測到反碳核，那麼意義就更加重大了。碳只能在恆星的「核熔爐」里形成，反碳核的現身，意味著太空中的某處存在「反物質星球」，這將是天文學一次偉大的突破。
反物質和物質
不是對稱存在的？
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的數量和類型的。至2013年，阿爾法磁譜儀已經看到過40萬個正電子，但沒有發現其他種類的反物質。到目前為止，仍沒有證據表明原始反物質潛伏在太空某處。
所以只剩下一種可能：反物質和物質雖然是對稱的，但「性格」卻不一樣。
幾十年來，粒子物理實驗已經多次看到粒子與反粒子有不同的行為反應。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，它們共同控制著規模巨大的宇宙。剩下的一種是強核力。強核力的作用範圍很小，大約只有原子核般的大小。
1964年物理學家在研究K介子衰變時，發現K介子能自然衰變成反K介子，反K介子也可以衰變為K介子，但是這兩個過程發生的頻率卻不一樣。因此，一些科學家推測，宇宙在弱核力的作用下，也可能發生類似的情況——由於宇宙大爆炸時存在某些過程，更有利於物質的產生，或者說物質的產生頻率更快。導致反物質的量不足，物質的量過剩了，而剩餘的物質組成了今天的宇宙。科學家給出的估計是每形成十億個反物質，可能就會產生十億零一個物質。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機中進行的實驗加強了這個猜測，在面對弱核力時，物質和反物質確實有不一樣的反應。
科學家參考了對撞機的數據，估測宇宙早期可以產生多少反物質，可惜答案並不是科學家們所期望看到的。之前給出的估計是每形成十億個反物質的同時就產生十億零一個物質，這意味著宇宙剛誕生時差不多有一半仍舊是反物質。然而，根據實驗結果，宇宙剛誕生時的反物質質量只相當於一個普通的星系。顯然，這和科學家估計的情況有非常大的差異，說明反物質的研究任務還很艱巨。
宇宙到底有沒有另一半？有的話，它會在哪裡？反物質和物質為什麼會有不同的行為？宇宙誕生之初究竟發生了什麼事？這些問題仍尚待解決。可見浩瀚宇宙對於人類來說，依舊深不可測。
本文源自大科技*科學之謎 2016年第8期雜誌重點文章、歡迎廣大讀者關注我們大科技的微信號：hdkj1997
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