反物質(zhì)和正物質(zhì)的質(zhì)量和電荷數是一樣的，但電荷的符號不一樣，是相反的。通常，原子核帶正電，電子帶負電。反物質(zhì)則是正常物質(zhì)的鏡像，它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。

　　李祖豪 中國科學(xué)院高能物理研究所研究員

　　多年來(lái)，科學(xué)家渴望能夠在宇宙中找到反物質(zhì)的蛛絲馬跡。近日，據媒體報道，根據國際空間站上攜帶的阿爾法磁譜儀粒子探測器收集到的數據，科學(xué)家推測宇宙中的反物質(zhì)可能比我們認為的要更多。此前，就有一些科學(xué)家認為，反物質(zhì)可能以反物質(zhì)恒星的形式存在于宇宙之中。

　　什么是反物質(zhì)？反物質(zhì)和物質(zhì)是彼此的鏡像嗎？反物質(zhì)恒星真的存在嗎？帶著(zhù)這些問(wèn)題，記者采訪(fǎng)了相關(guān)專(zhuān)家。

　　反物質(zhì)從科幻走向現實(shí)

　　科學(xué)作家戈登·弗雷澤在《反物質(zhì)：世界的終極鏡像》一書(shū)中寫(xiě)道：“反物質(zhì)對星際迷航中‘企業(yè)號’的運行是決定性的，要是沒(méi)有反物質(zhì)，就沒(méi)有星際迷航。”此言不虛，在電影《星際迷航》中，反物質(zhì)是星際旅行的基礎，“企業(yè)號”飛船正是以正反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的強大能量作為推力，實(shí)現超光速飛行。

　　而在小說(shuō)家丹·布朗的小說(shuō)《天使與魔鬼》中，歐洲核子研究中心(CERN)的科學(xué)家在實(shí)驗室中制造出了反物質(zhì)，僅需0.25克的反物質(zhì)就足以在頃刻間毀掉梵蒂岡。

　　反物質(zhì)不僅存在于電影情節和文學(xué)創(chuàng )作中，還是科學(xué)研究的重要方向之一。中國科學(xué)院高能物理研究所研究員李祖豪認為，要認識反物質(zhì)，便繞不開(kāi)這幾個(gè)名字：

　　1928年，“反物質(zhì)之父”保羅·狄拉克寫(xiě)下了一個(gè)用來(lái)描述電子的方程，這個(gè)方程也就是后來(lái)大名鼎鼎的“狄拉克方程”，它使年僅26歲的狄拉克在科學(xué)界一舉成名。狄拉克方程在理論上預言了反物質(zhì)的存在——一個(gè)電子必須有一個(gè)等量但帶著(zhù)相反電荷的對應粒子。狄拉克將這些新粒子稱(chēng)為“反粒子”。

　　1929—1930年，我國物理學(xué)家趙忠堯在實(shí)驗中觀(guān)測到了“反電子”存在的痕跡，其論文為研究“正—負”電子對的產(chǎn)生提供了證據，在反物質(zhì)的研究中，留下了中國科學(xué)家的“足跡”。

　　讓反粒子從理論走進(jìn)現實(shí)的是美國物理學(xué)家安德森。1932年，安德森宣布在宇宙線(xiàn)中發(fā)現了“反電子”，證實(shí)了反粒子的存在。1936年，年僅31歲的安德森憑借這一發(fā)現和科學(xué)家赫斯分享了諾貝爾物理學(xué)獎。

　　1955年，張伯倫和塞格雷等科學(xué)家利用高能質(zhì)子同步穩相加速器成功“捕捉”到了反質(zhì)子，二人在1959年分享了諾貝爾物理學(xué)獎。隨后，科學(xué)家們陸續制造出了反中子和反氘核等反粒子。

　　1995年，歐洲核子研究中心的物理學(xué)家?jiàn)W爾勒特帶領(lǐng)團隊進(jìn)行了第三次制造反物質(zhì)原子的實(shí)驗，在為期3周的反質(zhì)子與氙原子的碰撞實(shí)驗中，一共產(chǎn)生了9個(gè)反氫原子，其平均存活時(shí)間為一億分之四秒，以接近光速行駛了十幾米，然后就與正物質(zhì)發(fā)生湮滅。這意味著(zhù)，在實(shí)驗室成功制造出了第一批反物質(zhì)原子——反氫原子。

　　實(shí)驗室成功制造出了反物質(zhì)。那么，宇宙中的反物質(zhì)棲身何處呢？

　　1997年，美國天文學(xué)家宣布，他們利用康普頓伽馬射線(xiàn)天文臺，發(fā)現在銀河系上方約3500光年處有一個(gè)不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源(銀心反物質(zhì)噴泉)。后來(lái)的研究顯示，銀河系中心確有大量不明來(lái)源的反物質(zhì)，但并非以“噴泉”的形式存在。

　　2011年，阿爾法磁譜儀粒子探測器升空。目前科學(xué)家已通過(guò)這一設備觀(guān)測到反氦四候選事例。“反氦四是反氦原子核，被認為不太可能由宇宙線(xiàn)碰撞產(chǎn)生。”李祖豪解釋道，“所以，如果能證實(shí)宇宙線(xiàn)中存在反氦四原子核，將是反物質(zhì)天體存在的有力證據。”

　　正反物質(zhì)本為“一母同胞”

　　反物質(zhì)的存在被確定了，但新的問(wèn)題又出現了——反物質(zhì)究竟長(cháng)什么樣？與正物質(zhì)相比，它有何不同？反物質(zhì)來(lái)自何方，又去往何處？

　　通俗地說(shuō)，反物質(zhì)世界是我們現存世界的鏡像，其構成元素、外觀(guān)甚至光譜結構看上去都與正物質(zhì)世界別無(wú)二致，僅僅在某些物理特性上有差異。

　　“反物質(zhì)和正物質(zhì)的質(zhì)量和電荷數是一樣的，但電荷的符號不一樣，是相反的。”李祖豪表示，“通常，原子核帶正電，電子帶負電。反物質(zhì)則是正常物質(zhì)的鏡像，它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。”

　　歐洲核子研究中心的一項研究顯示，氫原子和反氫原子的光譜結構看起來(lái)是一樣的。歐洲核子研究中心還表示，到目前為止，反物質(zhì)看起來(lái)就像我們所知的普通物質(zhì)。

　　據李祖豪介紹，科學(xué)界普遍認為，宇宙大爆炸早期曾產(chǎn)生了數量相當的正物質(zhì)和反物質(zhì)，可以說(shuō)二者“一母同胞”。但如今在地球附近幾乎看不到天然存在的反物質(zhì)，這被稱(chēng)為“反物質(zhì)缺失之謎”。

　　理論上，宇宙大爆炸時(shí)所產(chǎn)生的粒子與反粒子數量應當相同，但為什么現今我們所看到的都是正粒子？反粒子去哪兒了？

　　李祖豪介紹道：“目前有兩種假設：一種認為，由于大爆炸產(chǎn)生的正反物質(zhì)在宇宙演化中的性質(zhì)不同，反物質(zhì)逐漸消失，只剩下正物質(zhì)，不過(guò)目前的實(shí)驗結果并不支持這一結論；另一種認為，大爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)和反物質(zhì)分別處在宇宙的不同區域。”

　　換句話(huà)說(shuō)，反物質(zhì)要么“不辭而別”，要么隱入宇宙深處。

　　只能等待反物質(zhì)“自投羅網(wǎng)”

　　“反物質(zhì)缺失之謎”長(cháng)久困擾著(zhù)科學(xué)家，關(guān)于反物質(zhì)的假設也層出不窮。其中一個(gè)假設認為，反物質(zhì)可能以反物質(zhì)恒星的形式存在于宇宙之中。這個(gè)假設意味著(zhù)，如果反物質(zhì)恒星存在的話(huà)，反物質(zhì)就有可能構成“宇宙的另一半”。

　　為了驗證這個(gè)假設，我們該如何尋找反物質(zhì)恒星？

　　李祖豪表示，嚴格來(lái)說(shuō)，現有的研究無(wú)法尋找反物質(zhì)恒星。當前國際范圍內唯一在太空探測反物質(zhì)的磁譜儀——阿爾法磁譜儀已在國際空間站工作了10余年，它的主要任務(wù)是尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì)，精確測量宇宙線(xiàn)的成分和能譜以研究宇宙線(xiàn)起源。然而，阿爾法磁譜儀被固定在國際空間站上。因此，嚴格來(lái)說(shuō)，在現有的研究條件下，我們只能等待反物質(zhì)進(jìn)入磁譜儀的探測范圍，而無(wú)法主動(dòng)尋找反物質(zhì)及反物質(zhì)恒星。

　　目前主要有兩種探測宇宙中反物質(zhì)粒子的手段，一種是通過(guò)磁譜儀直接探測反物質(zhì)，另一種則是通過(guò)高能探測器探測正物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能光子判斷反物質(zhì)的存在。探測及驗證反物質(zhì)恒星存在的困難在于，判斷反物質(zhì)乃至反物質(zhì)恒星存在，需要基于對宇宙中帶電粒子的觀(guān)測。但和具有指向性的光不同，帶電粒子不具有指向性。因為在傳播過(guò)程中，帶電粒子容易受到磁場(chǎng)的影響不斷地改變方向。因此，哪怕探測到了反物質(zhì)粒子，也無(wú)法判斷其來(lái)源，科學(xué)家無(wú)法對擁有數百萬(wàn)年“旅行史”的反物質(zhì)粒子“尋根究底”，追溯其源頭。因此，對反物質(zhì)恒星的探測和驗證也就變得尤為艱難。

　　盡管如此，仍有許多科學(xué)家對探尋反物質(zhì)以及反物質(zhì)恒星的存在報以熱忱。

　　李祖豪表示，如果反物質(zhì)恒星存在的話(huà)，它將是完全由反物質(zhì)構成的，其中所有的基本粒子都有與我們現今世界粒子一樣的質(zhì)量和壽命，但電荷符號等基本物理特性是相反的，這對我們已知的所有物理規律具有怎樣的影響，還有待理論學(xué)家的計算和實(shí)驗驗證。

　　法國科學(xué)家曾計算出可能潛伏在宇宙中的反物質(zhì)恒星的最大數量。科學(xué)家認為，反物質(zhì)恒星會(huì )像正常恒星一樣發(fā)光，且每40萬(wàn)個(gè)普通恒星中或將存在一個(gè)反物質(zhì)恒星。然而，這一假設是否成立，仍有待進(jìn)一步驗證。

　　“今人不見(jiàn)古時(shí)月，今月曾經(jīng)照古人”，和時(shí)年138億歲的深邃宇宙相比，代代更迭的人類(lèi)顯得異常渺小，許多關(guān)于宇宙的問(wèn)題，只能等待時(shí)間來(lái)給我們答案。也許在高能探測器和磁譜儀不曾看向的角落，有著(zhù)來(lái)自反物質(zhì)恒星的光，只等人類(lèi)的驚鴻一瞥。