宇宙中的反物質都去哪兒了？

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組成的。既然物質都還在，那么反物質都去哪里了？

在近日于美國芝加哥舉辦的第38屆高能物理國際會議上，日本科學家對于為什么現在的宇宙間充滿了正物質而非反物質，給出了一個解釋：中微子這種亞原子粒子在物質形態和反物質形態的表現不同。不過，他們也表示，還需要收集更多數據才能對此解釋進行確認。

為什么宇宙中有物質？這是物理學中最大的謎團之一。恒星、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后，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重要的特點：當它和物質結合時，會相互湮滅抵消，并產生巨大能量（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。而問題就出現在這里——按理說，等量的物質和反物質相遇，就會“同歸于盡”。可是大爆炸之后的138億年，宇宙仍然充滿各種天體，所有這些天體都是由物質組成的。既然物質都還在，那么反物質都去哪里了？

反物質是如何被發現的？

我們先從反物質的物理淵源說起。故事開始于1928年左右。當時，物理學正處于重大改變期。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運動時會發生什么情況。而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系起來。

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征，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。它并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他粒子也應該有相應的反粒子。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，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“云室”，云室中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。

在云室內施加磁場后，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”之后，美國物理學家卡爾·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，并將它們命名為“正電子”。

至此之后，反物質成為了物理學以及科幻小說的一部分。

如何找到宇宙中的反物質？

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？

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。

2008年，科學家在銀河系中發現了一朵龐大但稀薄的反物質云。它圍繞在銀河系中心附近，并發出伽馬射線。歐洲航天局的射線衛星觀測表明，這朵云并不在銀河系的正中間，似乎是尾隨著某顆散發X射線的恒星。這里的反物質可能不是宇宙誕生時遺留下來的，它們更有可能起源于恒星。這顆恒星周圍有一個黑洞，當恒星周圍的氣體脫離恒星，就會被黑洞“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恒星。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，也會湮滅釋放能量，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。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，那么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。

反物質和物質是對稱存在的嗎？

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。強核力的作用范圍很小，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——由于宇宙大爆炸時存在某些過程，更有利于物質的產生，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，而剩余的物質組成了今天的宇宙。科學家給出的估計是每形成10億個反物質，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，可惜答案并不是科學家們所期望看到的。之前給出的估計是每形成10億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于一個普通的星系。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，它會在哪里？反物質和物質為什么會有不同的行為？宇宙誕生之初究竟發生了什么？這些問題仍尚待解決。可見浩瀚宇宙對于人類來說，依舊深不可測。（冷嘉）

(責編：魏艷、趙竹青)