奇妙的反物质世界

　　在科学史上，将两个理论成功地结合，往往会收获意想不到的回报。
　　回到上个世纪初，狭义相对论和量子力学的出现，使物理学发生了天翻地覆的改变。狭义相对论颠覆了我们的时空观，而量子力学揭示了微观世界的诡异行为。
　　1928年，物理学家保罗狄拉克写下了一个结合了狭义相对论和量子力学的方程，用来描述高速运动的电子的行为。这本就是一项极其了不起的成就，但更令人惊奇的是，这个方程还预言了一个更为奇异的世界。
　　狄拉克发现，这个方程实际上预言了一类全新粒子的存在对于每一个粒子，都存在一个对应的反粒子。例如，对于电子而言，应该存在一个反电子，它们具有相同的质量，却有着相反的电荷。
　　1932年，物理学家卡尔安德森在观察穿过云室的宇宙线时，看见了一个与电子质量相同、带有正电的物体留下的轨迹。他认为，这些轨迹实际上就是正电子（也就是电子的反粒子）所留下的。
　　左：狄拉克方程预言了反物质的存在；右：安德森在云室中拍摄到了正电子的轨迹，并于1932年9月9日，在《科学》杂志上发表了他的发现。
　　尽管距离第一个反粒子的发现已经过去了90年，但反物质仍然充满了许多未解的难题。在探索的过程中，我们也发现了许多与反物质相关的有趣而又令人困惑的事实。
　　每一个原子都包含了反物质
　　无论是我们的身体，还是周围的世界，都是由原子构成的。
　　我们都知道原子是由质子、中子和电子组成的。质子和中子统称为核子，它们是原子核的组成部分，占宇宙可见物质的99以上。但与电子不同的是，核子并非基本粒子，它们是由夸克组成的。
　　夸克有六种类型，或者说六种味，其中最轻的上夸克和下夸克最有可能在核子中找到。在最简单的图景中，质子包含了三个价夸克两个上夸克和一个下夸克，它们的电荷（分别是23和13）结合起来使质子的电荷为1。
　　但随着物理学家对质子的了解逐渐深入，他们发现事情远没有那么简单。在质子的内部，实际上还包含了将夸克束缚在一起的胶子，以及不断出现和消失的夸克和反夸克对。
　　根据描述夸克和胶子相互作用的量子色动力学（QCD），六种味的夸克都应该存在于质子内部。物理学家基本同意质子内部还存在着内在奇夸克（也就是第三轻的夸克），而QCD也告诉我们，每当一个奇夸克被创造，一个反奇夸克也必须出现。在最近的一项研究中，物理学家甚至还找到证据表明，质子内部还存在着比质子本身都重的内禀粲夸克。
　　除了原子，还有反原子和奇异原子！
　　欧洲核子研究中心（CERN）是目前世界上最强大的粒子加速器，它可以创造出完全由反物质构成的反原子。最简单的反原子是反氢原子，由一个正电子和一个反质子组成。
　　无论是反氢原子还是反质子，都可以被用于检验爱因斯坦的广义相对论的一个重要原理弱等效原理。该原理告诉我们，所有处于相同引力场中的物体，无论其性质如何，都会经历相同的加速度。到目前为止，实验均表明弱等效原理不仅适用于物质，也适用于反物质。
　　除了反原子外，CERN还创造出了由物质和反物质构成的奇异原子。CERN有一台特殊的仪器，叫反质子减速器，它能够减缓那些以接近光速的速度进入该设备的反质子的运动。当反质子变慢后，科学家会将它们与冷却到接近绝对零度的液氦混合。其中一小部分的反质子会在液氦中被捕获，使原本绕氦原子核运行的两个电子中的一个被反质子取代，形成了能在短时间内保持稳定的反质子氦。
　　除了包含反质子的混合氦原子之外，其他奇异原子还包括子素（Muonium）和正电子素（positronium）。奇异原子被用来研究极小尺度上的物质和反物质之间的相互作用，这些相互作用是寻找新物理的重要工具。例如，通过奇异原子，科学家正在寻找神秘的暗物质和第五种力。
　　为什么我们会存在？
　　物质、能量、时间和空间已知所有的一切都始于138亿年前的大爆炸。
　　根据已知的物理学定律，在大爆炸之后，宇宙中应当产生了等量的物质和反物质。而我们知道，当物质和反物质相遇时，它们会湮灭，以光子的形式释放出能量。这就意味着，理论上，在宇宙最初的时刻，物质和反物质就应该全部湮灭，使宇宙中只剩下能量。如果是这样，那么今天的宇宙就不会有星系、恒星、行星，甚至是你、我的存在了。
　　幸运的是，这一切并没有发生，否则我们也不会在这里对我们的存在感到疑惑。那么，究竟是什么导致了物质和反物质之间的轻微不对称性，使今天的宇宙全是由物质而不是反物质组成的？这是当今物理学最大的谜团之一。
　　1967年，物理学家AndreiSakharov提出，如果宇宙满足三个条件那么就有可能演化出一个由物质主导的世界，其中一个条件便是CP对称性必须被打破（或者说CP破坏）。简单来说，CP对称性指的是，在一个镜像世界中，反粒子的行为应当和粒子完全相同。
　　在过去的几十年中，物理学家已经发现夸克和反夸克打破了CP对称性，但从夸克中所观察到的CP破坏的量完全不足以解释最初的物质和反物质之间的不对称性。2020年，物理学家也首次报告了他们在轻子中发现了CP破坏的证据。如果结果进一步确认，这将是CP破坏的全新来源。
　　现在，世界各地的大型实验仍在努力，希望找出物质和反物质之间的微小差异。随着实验测量的精度不断提高，我们终将解开我们的存在之谜。
　　参考来源：
　　https：www。nature。comarticless41586022049982
　　https：www。nature。comarticless41586022044407
　　https：www。nature。comarticless4158602104203w
　　https：www。nature。comarticlesd41586020010009
　　云室图片来源：CarlD。Anderson，PhysicalReviewVol。43，p491（1933）