中国科学家追寻反物质之谜

伤我心太深

（本文作者为中国科学院高能物理研究所研究员

2002年9月，丁肇中博士在上海交通大学作学术演讲“寻找由反物质组成的宇宙”。 东方IC图

国际空间站新安装上的阿尔法磁谱仪II。
据英国《每日邮报》日前报道，欧洲科学家近日打破了反物质保存时长纪录。科学家在论文中说，他们先后用磁场陷阱抓住了112个反氢原子，时间从1／5秒到1000秒不等，是此前纪录的5000倍
我们周围世界的物质归根结底是由质子、中子和电子等基本成分构成的，不同数目的质子和中子结合在一起构成了不同的原子核，并形成不同的化学元素，而不同的元素又进一步结合成自然界的各种物质。
而反物质，简单说就是由反质子、反中子和反电子等反粒子成分构成的物质。
狄拉克从方程中“算”出了反粒子
反粒子的存在首先是由英国物理学家保罗·狄拉克提出的。
1927年12月，狄拉克把量子力学和相对论结合起来，提出了描述电子运动的相对论性的方程式。有趣的是，这个方程除了通常的解还有一个能量为负的解。
负能量态的存在意味着物质是不稳定的，因为电子会不断向负能量的状态跃迁而不断辐射能量出来，这是一个近乎荒谬的结论。为了解决这个困难，狄拉克提出真空状态充满了负能量的电子“海”，因为这些负能的状态已经被电子占领，正能量的电子就无法向这些负能状态跃迁。狄拉克还发现，如果“海”中的电子被“打”掉就等价于形成了一个带正电荷的粒子。后来人们认识到这样的“空穴”应该和电子具有相同的质量，这就是正电子的最初的来源。
在随后发展起来的量子场论理论里，人们用更好的方式引入反粒子，而无需假设“狄拉克海”的存在。随着更加深入的研究，人们进一步发现，狄拉克方程具有“电荷”反演不变的性质，即如果狄拉克方程描述了电子的运动，那一定还有与之对应的“正电子”的解。
为了更好的理解这个说法，我们以牛顿定律为例举一个例子。牛顿第二定律说物体的加速度和所受到的外力成正比，即F=ma。如果用微分方程表示，加速度可以表示为时间t的二次微分，也就是说，在这个方程里，代入“t”和“-t”得出的结果是一样的。如果地球绕着太阳的运动满足牛顿第二定律，那么时间反演一下，相当于地球沿着和现在的轨道相反的路径运行，也同样满足牛顿第二定律。现在地球的运动轨迹和与此完全相反的轨迹都是上面牛顿方程的解。同样我们可以这样理解，当把电子的电荷反演一下，它们都是狄拉克方程的解。
发现反物质今天已经很寻常
因此，人们根据狄拉克方程给出的两个解，相信宇宙中还应该存在着“正电子”。在这样的概念刚刚提出的时候，大多数人对此表示怀疑，因为正电子这么奇怪的粒子人们从来没有见到过。
但很快，美国物理学家卡尔·安德森1932年就在宇宙线中发现了正电子的存在，这完全支持了狄拉克方程的正确性。1955年，美国物理学家西格雷等人用人工的方法在实验室中获得了反质子。此后人们逐渐认识到，不仅质子和电子，所有的微观粒子都有各自的反粒子，这促使人们猜测宇宙中正物质和反物质应该是对称的。
当初人们对反物质感到陌生，是因为人们对于高能现象认识的缺乏，因为只有能量足够高，反物质才能被产生出来。但随着科学技术的发展，人们对于高能现象越来越熟悉，物理学家对于反物质也已经习以为常。比如，在美国的费米实验室的高能对撞机就是研究反质子和质子的高能对撞所发生的反应，中国科学院高能物理研究所主要进行正负电子的对撞实验。
除了在实验室人们可以轻易产生这些反粒子，在高能宇宙线实验中，人们也观测到了反粒子的存在。宇宙线是来自于银河系高能天体所产生的高能量的粒子流，在这些高能天体中不存在反物质，否则就很容易和周围的物质湮灭掉。但高能的宇宙线在银河系空间传播的过程中，会和星际空间的稀薄物质碰撞而发生反应，反应产生物中即有反粒子。
为什么世界是正物质的？
构成我们周围世界的物质都是正物质，我们很难找到反物质的存在。那么又是什么造成了宇宙中正物质和反物质的不对称呢？
一种看法认为这是宇宙的初始条件造成的，比如，地球按照现在的轨迹绕着太阳运动而不是在相反的轨道上运行，完全是初始条件造成的，而不是牛顿定律决定地球只能在这个方向上运动。按这个看法，宇宙之初，只是凑巧只产生了物质而没有反物质。人们可以设想，如果宇宙之初产生的是反物质而不是物质，反物质世界的人们会同样对于物质感到陌生。不过，这样的说法没有任何的科学依据，只是把一种未知的现象归结到另一个同样是未知的条件上，很难让人信服。
而更容易让人接受的一种解释则认为宇宙产生之初，宇宙中的确存在等量的物质和反物质，只是在宇宙演化的过程中，由于某种原因，使得物质和反物质产生了大约百亿分之一的不对称。最后，宇宙中的物质和反物质湮灭，而只有这百亿分之一的多出来的物质被保留了下来。目前，科学家已经有一些成功的理论，可以解释是什么样的原因造成了这一点点的不对称，但这些理论目前还都没有得到最终的实验验证。
会有反物质星系存在吗？
我们银河系中的恒星都是由普通物质组成的，否则，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。
正反物质湮灭会产生特殊能量的γ光子，但观察并没有发现这种由湮灭产生的特殊γ光子，这使人们相信银河系中没有反恒星的存在，整个银河系都是由正物质组成的。类似地，天文学家搜寻了附近的星系，并得出结论：在三千万光年的范围内不会有反物质星系存在。
在此之外是否有反物质星系存在则是仍然没有得到实验回答的一个问题。如果在宇宙的某处存在着反物质星系，那么它会和普通的星系一样辐射高能的宇宙线粒子，只不过它的宇宙线是由反粒子组成的。
阿尔法磁谱仪的科学目标就是试图探测这些由反星系辐射的反粒子宇宙线，以此来推断反物质星系的存在。通常的宇宙线碰撞所产生的次级粒子容易形成反质子正电子等反粒子，但形成反α粒子的概率却非常低，因此，在阿尔法磁谱仪上如果有反α粒子被探测到，那就很可能意味着反物质星系的存在。
由华裔物理学家丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪II，于今年5月16日搭乘美国“奋进”号航天飞机从位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心升空，最终被安装在国际空间站，将进行长达十年的观测。通过这一观测，科学家们希望能够找到激动人心的发现，它将使我们对于宇宙的认识产生革命性的变化。
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捕获反物质不容易
尽管反粒子已经不陌生，但由于反物质在与普通物质接触后便会消失，因此保存反物质是一件非常困难的事情。
欧洲粒子物理研究所（CERN）的科学家近日在权威科学杂志《自然物理》上发表文章，称他们利用超导磁体制作出了可使反氢原子悬浮在空中的“磁瓶”，这样可以尽可能长时间使反氢原子不碰到通常容器的物质，以延长它们的保存时间，并取得了重大突破。而反氢原子的束缚时间越长，就越能够精确地研究它的内部结构和物理性质。
另一方面，正由于反物质与普通物质接触后会湮灭，因而能够释放出巨大的能量。
当物质和反物质接触时，原子外层的电子会和反原子外层的正电子湮灭，而质子和反质子相互湮灭，它们的电荷相反，湮灭后可以转化为中性的高能伽马射线。根据爱因斯坦的质能关系，湮灭后物质的质量完全转换为能量释放。跟这种完全的能量释放相比，核裂变就像划燃一根安全火柴一样微不足道……