反物質(zhì)和正物質(zhì)的質(zhì)量和電荷數(shù)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(fù)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(fù)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
(資料圖片)
多年來，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(jù)媒體報道，根據(jù)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(shù)據(jù)，科學(xué)家推測宇宙中的反物質(zhì)可能比我們認(rèn)為的要更多。此前，就有一些科學(xué)家認(rèn)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？帶著這些問題，記者采訪了相關(guān)專家。
反物質(zhì)從科幻走向現(xiàn)實
科學(xué)作家戈登·弗雷澤在《反物質(zhì)：世界的終極鏡像》一書中寫道：“反物質(zhì)對星際迷航中‘企業(yè)號’的運行是決定性的，要是沒有反物質(zhì)，就沒有星際迷航。”此言不虛，在電影《星際迷航》中，反物質(zhì)是星際旅行的基礎(chǔ)，“企業(yè)號”飛船正是以正反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的強(qiáng)大能量作為推力，實現(xiàn)超光速飛行。
而在小說家丹·布朗的小說《天使與魔鬼》中，歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家在實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(jié)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(rèn)為，要認(rèn)識反物質(zhì)，便繞不開這幾個名字：
1928年，“反物質(zhì)之父”保羅·狄拉克寫下了一個用來描述電子的方程，這個方程也就是后來大名鼎鼎的“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(yù)言了反物質(zhì)的存在——一個電子必須有一個等量但帶著相反電荷的對應(yīng)粒子。狄拉克將這些新粒子稱為“反粒子”。
1929—1930年，我國物理學(xué)家趙忠堯在實驗中觀測到了“反電子”存在的痕跡，其論文為研究“正—負(fù)”電子對的產(chǎn)生提供了證據(jù)，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(xiàn)實的是美國物理學(xué)家安德森。1932年，安德森宣布在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了“反電子”，證實了反粒子的存在。1936年，年僅31歲的安德森憑借這一發(fā)現(xiàn)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(wěn)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(xù)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)家奧爾勒特帶領(lǐng)團(tuán)隊進(jìn)行了第三次制造反物質(zhì)原子的實驗，在為期3周的反質(zhì)子與氙原子的碰撞實驗中，一共產(chǎn)生了9個反氫原子，其平均存活時間為一億分之四秒，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，在實驗室成功制造出了第一批反物質(zhì)原子——反氫原子。
實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天文臺，發(fā)現(xiàn)在銀河系上方約3500光年處有一個不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源（銀心反物質(zhì)噴泉）。后來的研究顯示，銀河系中心確有大量不明來源的反物質(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)家已通過這一設(shè)備觀測到反氦四候選事例。“反氦四是反氦原子核，被認(rèn)為不太可能由宇宙線碰撞產(chǎn)生。”李祖豪解釋道，“所以，如果能證實宇宙線中存在反氦四原子核，將是反物質(zhì)天體存在的有力證據(jù)。”
正反物質(zhì)本為“一母同胞”
反物質(zhì)的存在被確定了，但新的問題又出現(xiàn)了——反物質(zhì)究竟長什么樣？與正物質(zhì)相比，它有何不同？反物質(zhì)來自何方，又去往何處？
通俗地說，反物質(zhì)世界是我們現(xiàn)存世界的鏡像，其構(gòu)成元素、外觀甚至光譜結(jié)構(gòu)看上去都與正物質(zhì)世界別無二致，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(shù)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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)看起來是一樣的。歐洲核子研究中心還表示，到目前為止，反物質(zhì)看起來就像我們所知的普通物質(zhì)。
據(jù)李祖豪介紹，科學(xué)界普遍認(rèn)為，宇宙大爆炸早期曾產(chǎn)生了數(shù)量相當(dāng)?shù)恼镔|(zhì)和反物質(zhì)，可以說二者“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)，這被稱為“反物質(zhì)缺失之謎”。
理論上，宇宙大爆炸時所產(chǎn)生的粒子與反粒子數(shù)量應(yīng)當(dāng)相同，但為什么現(xiàn)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(shè)：一種認(rèn)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)，不過目前的實驗結(jié)果并不支持這一結(jié)論；另一種認(rèn)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(qū)域。”
換句話說，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”長久困擾著科學(xué)家，關(guān)于反物質(zhì)的假設(shè)也層出不窮。其中一個假設(shè)認(rèn)為，反物質(zhì)可能以反物質(zhì)恒星的形式存在于宇宙之中。這個假設(shè)意味著，如果反物質(zhì)恒星存在的話，反物質(zhì)就有可能構(gòu)成“宇宙的另一半”。
為了驗證這個假設(shè)，我們該如何尋找反物質(zhì)恒星？
李祖豪表示，嚴(yán)格來說，現(xiàn)有的研究無法尋找反物質(zhì)恒星。當(dāng)前國際范圍內(nèi)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)，精確測量宇宙線的成分和能譜以研究宇宙線起源。然而，阿爾法磁譜儀被固定在國際空間站上。因此，嚴(yán)格來說，在現(xiàn)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，而無法主動尋找反物質(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，一種是通過磁譜儀直接探測反物質(zhì)，另一種則是通過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。因為在傳播過程中，帶電粒子容易受到磁場的影響不斷地改變方向。因此，哪怕探測到了反物質(zhì)粒子，也無法判斷其來源，科學(xué)家無法對擁有數(shù)百萬年“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，它將是完全由反物質(zhì)構(gòu)成的，其中所有的基本粒子都有與我們現(xiàn)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(guī)律具有怎樣的影響，還有待理論學(xué)家的計算和實驗驗證。
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(shù)量?？茖W(xué)家認(rèn)為，反物質(zhì)恒星會像正常恒星一樣發(fā)光，且每40萬個普通恒星中或?qū)⒋嬖谝粋€反物質(zhì)恒星。然而，這一假設(shè)是否成立，仍有待進(jìn)一步驗證。
“今人不見古時月，今月曾經(jīng)照古人”，和時年138億歲的深邃宇宙相比，代代更迭的人類顯得異常渺小，許多關(guān)于宇宙的問題，只能等待時間來給我們答案。也許在高能探測器和磁譜儀不曾看向的角落，有著來自反物質(zhì)恒星的光，只等人類的驚鴻一瞥。
標(biāo)簽： 反物質(zhì)恒星
