反物質(zhì)淺談

眾所周知， 科幻小說作為一種特殊形式的小說， 常常從現(xiàn)代科學的發(fā)展中吸取新的概念， 反物質(zhì)就是其中之一。 二十世紀四十年代， 美國科幻小說家威廉森 (Jack Williamson) 創(chuàng)作了一系列以反物質(zhì)為題材的小說， 稱為 CT 故事， 其中 “CT” 是他為反物質(zhì)所擬的名稱 “Contra-Terrene” 的縮寫。 威廉森的 CT 故事問世后不久， 另一位美國科幻小說家阿西莫夫 (Isaac Asimov) 也在自己膾炙人口的機器人故事中引進了反物質(zhì)的概念， 他所設想的機器人大腦是所謂的 “正電子大腦” (positronic brain)， 而正電子是電子的反粒子， 是反物質(zhì)的基本組元之一。 二十世紀六十年代， 著名科幻電視連續(xù)劇《星際旅行》開始播出， 在這部迄今已連續(xù)創(chuàng)作和播出四十年之久、 擁有不止一代忠實觀眾的電視連續(xù)劇中， 反物質(zhì)是星際飛船的重要燃料 - 這一點現(xiàn)在已幾乎成為所有以星際旅行為題材的科幻小說的共同特點。 反物質(zhì)概念在科幻小說中的頻頻出現(xiàn)， 使公眾對這一概念產(chǎn)生了濃厚的興趣。 

那么， 反物質(zhì)這一概念最初是如何被提出的？ 人們是如何發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的？ 反物質(zhì)究竟是不是一種有效的燃料？ 我們的宇宙中到底是物質(zhì)多呢還是反物質(zhì)多？ 這些就是本文將要向大家介紹的內(nèi)容。 

反物質(zhì)這一概念在學術界的出現(xiàn)最早可以追溯到十九世紀末。 1898 年， 英國物理學家舒斯特 (Arthur Schuster) 在給《自然》雜志的一封信中提到， 既然電荷可以有負的， 金子說不定也可以有負的， 而且負金子說不定和我們熟悉的金子有著一樣的顏色。 這或許是有關反物質(zhì)的想法在科學文獻中的最早萌芽。 不過舒斯特有關反物質(zhì)的想法只是一種簡單而模糊的思辨， 沒有真正的理論依據(jù)， 因而也沒有引起任何重視。 反物質(zhì)概念在物理學上的真正淵源， 是從將近三十年后的 1927 年開始的。 那一年， 量子力學奠基人之一的英國物理學家狄拉克 (Paul Dirac) 提出了一個描述電子運動的數(shù)學方程式。 

狄拉克所提出的這一方程 - 被稱為狄拉克方程 - 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。 這在當時是很令人耳目一新的結果[注一]。 更漂亮的是， 這一方程還出人意料地自動包含了此前為解釋實驗結果而不得不人為添加到量子力學中的一些的東西 - 一些在當時看來絕非顯而易見的東西 - 比如電子的自旋和磁矩。 作為一個方程式， 狄拉克方程的形式之簡潔， 內(nèi)涵之豐富， 預言之神奇， 似乎達到了物理學家們夢寐以求的境界。 

但這一方程式的野心似乎還不止于此， 它還包含了另外一個重要結果 - 可惜這回卻是一個令人苦惱的結果。 

這個令人苦惱的結果是： 狄拉克方程所描述的電子總能量既可以是正的， 也可以是負的。 我們知道， 人們在自然界中從未發(fā)現(xiàn)過總能量為負的電子， 因此狄拉克方程似乎允許存在一些自然界中不存在的東西。 僅僅是這樣倒還罷了， 大不了我們假定自然界中所有的電子恰好都是正能量的。 但不幸的是， 按照量子力學的規(guī)律， 一個理論只要允許電子具有負能量， 那么正能量電子就會在很短的時間內(nèi)通過量子躍遷進入到負能量狀態(tài)， 從而變成負能量電子。 這種躍遷的結果無疑是災難性的， 與現(xiàn)實世界也大相徑庭[注二]。 

錯誤描述中的正確結論

這么看來， 狄拉克方程看似漂亮， 實際上卻似乎是錯的， 不僅錯了， 而且還錯得相當離譜， 錯得足可把整個世界都搭進災難。 但一個錯得如此離譜的方程又怎可能包含如此多看起來正確得驚人的結果呢？ 莫非真的應了那句俗語： 真理過頭一步就是謬誤？ 

為了解決這個令人苦惱的兩難問題， 狄拉克于 1930 年提出了一個大膽的假設， 那就是負能量電子的確是存在的， 不僅存在， 而且還很多， 多到足以把所有負能量狀態(tài)都占滿的地步。 由所有這些負能量電子組成的 “海” 就是我們平時所說的真空。 狄拉克之所以提出這樣古怪的假設， 是因為當時人們已經(jīng)知道了一條重要的物理原理， 叫做泡利不相容原理， 它表明任何兩個電子都不可能具有相同的狀態(tài)。 既然任何兩個電子都不可能具有相同的狀態(tài)， 那么一旦所有負能量狀態(tài)都被負能量電子占滿， 正能量電子也就不可能再進入負能量狀態(tài)了。 這樣一來， 負能量狀態(tài)的存在就不再成為問題了。 

狄拉克的假設挽救了他的方程， 卻帶來了一個新的問題。 那就是他的假設雖然阻止了正能量電子進入負能量狀態(tài)， 卻并不妨礙負能量電子因獲得外來的能量而變成正能量電子。 一旦出現(xiàn)這種情形， 除產(chǎn)生一個正能量電子外， 真空中還將出現(xiàn)一個因負能量電子空缺而形成的空穴， 這種空穴等價于一個具有正能量， 并且?guī)д姾傻牧Ｗ?nbsp;(請讀者想一想這是為什么？)。 那么這種帶正電的粒子究竟是什么粒子呢？ 狄拉克的數(shù)學直覺告訴他那應該是一個質(zhì)量與電子質(zhì)量相同的粒子。 但當時物理學家們所知道的唯一帶正電的基本粒子是質(zhì)子， 其質(zhì)量比電子質(zhì)量大了一千八百多倍。 因此如果空穴的質(zhì)量與電子質(zhì)量相同， 它將是一種新的帶正電的粒子， 這是一個很大的麻煩。 今天的讀者也許難以理解這種視新粒子為麻煩的想法。 換作是在今天， 能夠預言新粒子不僅不是麻煩， 往往還會被認為是令人興奮的結果 (除非有顯著的實驗證據(jù)表明這種新粒子不可能存在而未被發(fā)現(xiàn))。 但提出新粒子這種后來一度成為家常便飯且蔚為時尚的做法對當時的物理學家來說卻幾乎是一個思維禁區(qū) - 一個連素以勇氣著稱的量子力學奠基者們也未敢輕易逾越的思維禁區(qū)。 在這一思維禁區(qū)面前， 具有極高數(shù)學天賦， 并且一向崇尚數(shù)學美的狄拉克犯下了一生為數(shù)不多的顯著錯誤之一， 他放棄了自己的數(shù)學直覺， 提出空穴對應的粒子是質(zhì)子。 

幸運的是， 思維禁區(qū)束縛得了思維， 卻束縛不了計算； 物理學家的思維禁區(qū)束縛得了物理學家， 卻束縛不了數(shù)學家。 狄拉克的觀點提出后， 與他同時代的物理學家海森伯 (Werner Heisenberg) 和泡利 (Wolfgang Pauli) 分別對空穴的質(zhì)量進行了計算， 結果表明它應該與電子質(zhì)量相同， 數(shù)學家外耳 (Hermann Weyl) 更是從理論的對稱性出發(fā)直接證明了這一點。 另一方面， 不管空穴是什么， 既然它是電子離開所留下的， 那么電子顯然也可以重新躍回空穴， 一旦出現(xiàn)這種情況， 電子與空穴就會一起消失 (變成能量)， 這種過程被稱為湮滅。 如果空穴是質(zhì)子， 那么這就意味著電子可以與質(zhì)子互相湮滅。 這結果看起來顯然很令人不安， 因為電子和質(zhì)子是組成物質(zhì)的基本粒子 (當時中子尚未被發(fā)現(xiàn))， 如果它們可以相互湮滅， 那么物質(zhì)的穩(wěn)定性就成問題了。 當然， 問題到底有多嚴重還得看湮滅的快慢程度， 或者說湮滅的幾率。 美國物理學家奧本海默 (Robert Oppenheimer) 和俄國物理學家塔姆 (Igor Tamm) 分別計算了這種幾率， 結果發(fā)現(xiàn)它相當大， 足以使物質(zhì)世界在很短的時間內(nèi)就崩潰離析。 

在這些結果的連環(huán)打擊下， 空穴是質(zhì)子的假設遭到了滅頂之災。 1931 年， 狄拉克糾正了自己的錯誤， 并提議將空穴所對應的質(zhì)量與電子質(zhì)量相同， 電荷與電子電荷相反的實驗上尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子稱為反電子 (anti-electron)。 這一回， 他徹底突破了禁區(qū)， 不僅提出了反電子， 而且進一步提出質(zhì)子及其它粒子 (如果有的話) 也應該有相應的反粒子。 如果所有粒子都有反粒子， 那么就完全有可能存在由反粒子組成的物質(zhì)， 這種物質(zhì)就是人們所說的反物質(zhì)。 因此從某種意義上講， 這一年 - 即 1931 年 - 可以被視為是反物質(zhì)概念誕生的年代。 

按照狄拉克對反粒子的描述， 反粒子是粒子脫離負能量狀態(tài)后留下的空穴， 因此反粒子與相應的粒子可以湮滅。 這種湮滅有可能使粒子與反粒子同時轉化為能量 (即光子)[注三]， 這是理論上所能達到的最高能量轉化效率。 這種轉化效率是如此之高， 以至于一克反物質(zhì)與一克物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的能量就足以超過廣島和長崎原子彈所釋放能量的總和。 若有朝一日人類能夠廣泛地利用反物質(zhì)作為能量來源， 無疑將會帶來巨大的技術飛躍。 這是反物質(zhì)成為最受科幻小說家青睞的能量來源的根本原因。 

不過需要指出的是， 狄拉克對反粒子的描述雖然直觀， 而且聽起來頗有道理， 其實在今天看來卻只有歷史價值。 用許溫格 (Julian Schwinger) 的話說是 “最好作為歷史的獵奇而被遺忘”。 如我們在上面介紹的， 狄拉克的描述需要通過泡利不相容原理來阻止正能量粒子進入負能量狀態(tài)。 對于電子和質(zhì)子這樣的粒子 - 被稱為費米子 - 來說， 這恰好是可以做到的。 但自然界中還存在另外一類粒子 - 被稱為玻色子， 它們并不滿足泡利不相容原理。 對于那樣的粒子， 狄拉克有關反粒子的描述就無能為力了。 不僅如此， 按照狄拉克的描述， 正反粒子的產(chǎn)生必須是成對的， 因為一個新粒子的產(chǎn)生必定會留下相應的空穴 - 即它的反粒子， 反過來， 新空穴的出現(xiàn)也只能是由于相應粒子的產(chǎn)生 (即脫離負能量狀態(tài))。 但實驗卻表明這種粒子與相應反粒子的 “雙宿雙飛” 并不普遍成立。 比方說在 β 衰變中， 電子的出現(xiàn)就并不伴隨反電子。 因此狄拉克對反粒子的描述細究起來并不正確， 這一點不僅被許多科普讀物所忽視， 甚至在一些現(xiàn)代教科書中都沒有加以明確的說明， 這是不應該的。 對反粒子的普遍描述， 是在量子場論出現(xiàn)之后才建立起來的。 不過狄拉克對反粒子的描述雖然并不正確， 它所包含的一些基本結論， 比如反粒子與相應的粒子質(zhì)量相同， 所帶電荷及若干其它量子數(shù)相反， 正反粒子可以相互湮滅等， 卻是普遍成立的， 并且它的提出對量子場論的產(chǎn)生起到過啟發(fā)作用， 從這個意義上講它對物理學的發(fā)展功不可沒。 

走錯方向的電子還是走對方向的正電子？

與反粒子理論的曲折發(fā)展同樣生動坎坷的是實驗物理學家們發(fā)現(xiàn)反粒子的故事。 對于實驗物理學家來說， 這個故事多少帶著點遺憾， 因為其實早在狄拉克提出反粒子概念之前， 反粒子就已經(jīng)在實驗室里留下了蹤跡， 卻被實驗物理學家所忽略， 這才讓理論物理學家捷足先登。 

在二十世紀三十年代， 物理學家們探測帶電粒子徑跡的主要工具是云室。 云室不僅可以顯示帶電粒子的徑跡， 通過將云室放在磁場中， 還可以進一步判斷粒子所帶電荷的正負， 因為正負性不同的電荷在穿過磁場時會向不同方向偏轉。 早在狄拉克提出反粒子概念之前， 實驗物理學家們就在云室照片中發(fā)現(xiàn)過一些類似于電子， 卻與電子有著相反偏轉方向的徑跡。 這些徑跡其實正是反電子掠過云室留下的倩影。 可惜就象狄拉克起初不敢把空穴詮釋成反電子一樣， 實驗物理學家們也未曾想到把那些反常的徑跡詮釋成一種新的粒子， 從而錯失了先于理論而發(fā)現(xiàn)反電子的機會。 

直到狄拉克提出空穴是反電子之后， 云室中的那些反常的徑跡才引起了一些實驗物理學家的重視。 英國卡文迪許實驗室的物理學家布萊克特 (Patrick Blackett) 最早告訴狄拉克說自己與同事可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種新粒子存在的證據(jù)。 但即便有狄拉克當出頭鳥， 布萊克特仍不敢貿(mào)然發(fā)表自己的發(fā)現(xiàn)， 他打算做進一步的核實。 這一延緩把發(fā)現(xiàn)反電子的優(yōu)先權拱手讓給了大西洋彼岸的美國物理學家安德遜 (Carl Anderson)。 

安德遜當時在美國西岸的加州理工大學從事宇宙射線研究。 與其他一些實驗物理學家一樣， 他也在自己的云室照片中發(fā)現(xiàn)了類似于電子， 卻與電子有著相反偏轉方向的徑跡。 這樣的徑跡數(shù)量并不稀少， 這一點引起了安德遜的重視， 于是他把這一發(fā)現(xiàn)告訴了當時正在歐洲進行訪問的導師密立根。 密立根也是一位實驗物理大師， 曾因測量電子電荷及光電效應方面的工作獲得 1923 年的諾貝爾物理學獎。 他認為安德遜所發(fā)現(xiàn)的徑跡是質(zhì)子產(chǎn)生的。 質(zhì)子所帶的電荷與電子相反， 因此可以解釋觀測到的偏轉方向與電子相反這一事實。 但密立根的質(zhì)子解釋有一個致命的弱點， 那就是象質(zhì)子這樣的重粒子在云室中的徑跡應該遠比象電子這樣的輕粒子來得顯著。 可是安德遜所發(fā)現(xiàn)的徑跡卻并未顯示出這種差異， 因此密立根的質(zhì)子解釋很快被排除了。 

另一方面， 安德遜自己也提出了一種解釋， 他認為偏轉方向與電子相反的徑跡有可能是由反方向運動的電子產(chǎn)生的， 這種解釋也曾經(jīng)被歐洲物理學家們用來解釋類似的徑跡。 單純從徑跡的偏轉方向上講， 它的確可以說得通。 但安德遜的反向電子解釋也有一個令人困惑的地方， 那就是他所研究的是宇宙射線， 而宇宙射線應該來自天空， 從而應該都是自上而下穿越云室的， 既然如此， 反方向運動的電子又從何而來呢？ 顯然， 解決這一疑問最直接的辦法就是對電子運動的方向進行直接驗證。 為此， 安德遜在自己的云室中間插入了一片薄薄的鉛板。 由于粒子穿過鉛板速度會變慢， 因此只要對粒子在鉛板上下的速度大小進行比較， 就可以判斷粒子的運動方向[注四]。 通過這一手段， 安德遜發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)偏轉方向與電子相反的粒子都和電子一樣來自天空， 也就是說它們的運動方向與電子是相同而不是相反的。 這就把安德遜自己的反向電子解釋也排除了。 

這兩種解釋都被排除了， 留給安德遜的就只剩下一種解釋了： 那就是這是一種帶正電、 質(zhì)量卻遠比質(zhì)子輕的粒子 - 一種尚不被實驗物理學家所知的新粒子。 但這種解釋也有一個問題： 那就是這樣一個質(zhì)量不大的新粒子為什么以前一直未被發(fā)現(xiàn)呢？ 如果安德遜知道狄拉克的空穴理論， 他或許會想到那是因為這種粒子是反電子， 它很容易因為與電子相互湮滅而從人們眼皮底下消失。 可當時安德遜并不知道狄拉克的空穴理論， 因此這唯一的解釋看起來似乎也不太可能。 不過看起來不太可能和完全不可能終究是有差別的， 福爾摩斯有一句雖不嚴謹?shù)芄苡玫拿裕?nbsp;當你排除了所有不可能的解釋， 剩下的無論看起來多么不可能， 一定就是真理。 安德遜知道這時不應該猶豫了， 于是他不顧密立根的反對于 1932 年 9 月公布了自己的發(fā)現(xiàn)。 四年后， 這一發(fā)現(xiàn)為他贏得了諾貝爾物理學獎。 

安德遜發(fā)現(xiàn)新粒子的消息一傳到歐洲， 布萊克特和他的同事立刻意識到自己犯下了遲疑不決的兵家大忌， 他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)卻未敢發(fā)表的顯然正是同樣的粒子。 于是他們立刻也發(fā)表了自己的結果。 他們雖不幸在時間上落后于安德遜， 卻有幸在空間上占據(jù)了一個有利條件， 那就是他們離狄拉克很近。 安德遜雖然發(fā)現(xiàn)了新粒子， 卻不知道它和電子的關系， 而布萊克特和他的同事不僅知道新粒子和電子的關系， 還知道它和電子可以成對產(chǎn)生， 于是他們在自己的云室照片中有意識地尋找這種產(chǎn)生過程的證據(jù)， 并如愿以償?shù)爻蔀槭紫劝l(fā)現(xiàn)正反粒子對產(chǎn)生過程的物理學家。 

在這些成果的發(fā)表過程中， 反電子獲得了一個新的、 后來更為流行的名稱： 正電子 (positron)。 這一名稱是一位雜志編輯向安德遜建議的， 它的本意是 “正子” (當時安德遜并不知道這一粒子與電子有關)。 

從反粒子到反物質(zhì)

正電子成為人類發(fā)現(xiàn)的第一種反粒子并非偶然。 因為與之相比， 其它反粒子要么在宇宙線及天然放射源中比較稀少， 而早期加速器的能量又不足以產(chǎn)生； 要么由于相互作用太弱而不易檢測， 其發(fā)現(xiàn)的難度都遠遠大于正電子。 因此自正電子被發(fā)現(xiàn)之后， 發(fā)現(xiàn)反粒子的步伐停頓了下來， 直到二十幾年后才迎來了一陣美妙的爆發(fā)。 1955 年， 賽格雷 (Emilio Segrè)、 張伯倫 (Owen Chamberlain) 及其合作者發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子 (賽格雷和張伯倫獲得了 1959 年的諾貝爾物理學獎)； 次年考克 (Bruce Cork) 及其合作者又發(fā)現(xiàn)了反中子。 至此組成物質(zhì)的三種最重要粒子的反粒子都被發(fā)現(xiàn)了。 此后， 其它基本粒子的反粒子也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn) - 當然， 后來的那些發(fā)現(xiàn)對物理學家們來說已毫無懸念， 因為在理論上， 除少數(shù)粒子與其反粒子相同外， 所有其它粒子都應該有自己的反粒子。 

不過盡管隨著加速器能量的持續(xù)提高， 反粒子的發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生已不再稀罕， 但反粒子很容易被 “正” 粒子湮滅， 因此它們的保存是一個極大的技術難題。 直到二十世紀八十年代， 物理學家們才開始掌握了保存少量反粒子的手段。 但是要想保存更多的反粒子， 卻又面臨另一個技術難題。 因為帶同種電荷的反粒子相互排斥， 中性的反粒子又不穩(wěn)定。 要想積累反粒子， 比較可行的手段是讓帶不同電荷的反粒子象普通粒子配成原子那樣配成中性的反原子。 但是讓那些極易湮滅， 通常又高速運動的反粒子乖乖地組成原子又談何容易？ 這項工作直到 1995 年才由德國物理學家歐勒特 (Walter Oelert) 領導的實驗小組所完成， 他們在歐洲核子中心的低能反質(zhì)子環(huán)上成功地制備出了九個反氫原子。 雖然只有區(qū)區(qū)九個 - 與普通原子動輒就是幾個摩爾 (一摩爾約有六千萬億億個) 的海量相比少得簡直不值一提， 但這一消息 1996 年初一經(jīng)披露立即引起了世界性的轟動。 許多大媒體用顯著的標題進行了報道， 歐勒特本人也受到了媒體記者的 “圍追堵截”， 有記者甚至試圖把歐勒特從飛機上攔截下來進行采訪。 反氫原子的制備之所以引起媒體如此廣泛的關注， 是因為原子和分子是承載物質(zhì)物理和化學性質(zhì)的基本組元。 從這個意義上講， 反氫原子的成功制備是人類有史以來首次制備出了反物質(zhì)， 此前所研究的只能稱為是反粒子而不是反物質(zhì)。 對媒體來說這無疑是一個極大的興奮點。 

不過歐勒特制備反氫原子雖是歐洲核子中心有史以來最受媒體關注的新聞之一， 但該中心的粒子物理學家們卻大都只是將之視為實驗工藝上的成就， 有人甚至戲稱其為 “新聞實驗”。 因為從理論上講， 由反粒子組成反原子乃是稀松平常之事； 而從實用的角度講， 歐勒特制備的反氫原子不僅數(shù)量稀少， 而且存在的時間也短得可憐， 只有一億分之四秒， 距離實用無疑還差十萬八千里。 歐勒特實驗成功后的第二年， 歐洲核子中心關閉了為這一實驗及其它三十幾個實驗立下過汗馬功勞的低能反質(zhì)子環(huán)。這個低能反質(zhì)子環(huán)在它服役的十四年間總共產(chǎn)生了超過一百萬億個反質(zhì)子。 如果把這些反質(zhì)子全部當成反物質(zhì)燃料與質(zhì)子湮滅， 它們所產(chǎn)生的能量大約可以讓一盞一百瓦的燈泡點亮五分鐘[注一]。 將這點微不足道的能量與十四年間為產(chǎn)生這些反質(zhì)子而消耗的巨大能源相比， 我們可以看到用反物質(zhì)作為能源在目前還是極度地得不償失。 

但這些技術上的困難并不妨礙人類的想象力將反物質(zhì)作為未來可能采用的一種能源。 這種能源除了具有理論上最高的轉化效率外， 還有一個非常吸引人的優(yōu)勢， 那就是潔凈。 我們知道， 傳統(tǒng)的能源， 無論是化學能還是核能， 通常都會在使用后產(chǎn)生有害的殘留物， 比如廢氣、 核廢料等， 而正反物質(zhì)的湮滅卻可以將燃料徹底轉化為能量， 從而不留下任何殘留物質(zhì)， 因此它是一種理論上最潔凈的能源。 這樣既潔凈又高效的能源不僅是科幻小說家的最愛， 對于工程和軍事領域來說也有著無窮的魅力。 早在二十世紀中葉， 美國和前蘇聯(lián)的氫彈之父就各自提出過反物質(zhì)武器的可能性。 在美蘇冷戰(zhàn)的后期， 伴隨星球大戰(zhàn)計劃的展開， 美國軍方開始了反物質(zhì)應用方面的研究。 這些在當時技術條件下近乎于軍事大躍進的研究計劃后來隨著前蘇聯(lián)的解體和冷戰(zhàn)的落幕而下馬了。 

到目前為止， 反物質(zhì)除了基礎物理研究外， 主要的應用領域是在醫(yī)學影像方面。 就人類目前所能達到的技術水平而言， 依靠人工制備的反物質(zhì)作為能源還是很不現(xiàn)實的想法， 因為制備反物質(zhì)所需的能量投入遠遠超出了可能的能量產(chǎn)出。 不過如果我們放任自己的想象力的話， 希望總是有的。 比方說， 假如宇宙中存在足夠規(guī)模的天然反物質(zhì)源， 情況就將有所不同， 因為那樣我們就不必為制備反物質(zhì)而費心了 (雖然高效而安全地收集和保存反物質(zhì)仍將是極具難度的挑戰(zhàn))。 這就給科學家們提出了一個很大的問題， 那就是： 宇宙中有可能存在那樣的反物質(zhì)來源嗎？ 

宇宙的主人和客人

物理學家們曾經(jīng)對這一問題作出過肯定的猜測。 狄拉克在他的諾貝爾演講中就曾表示， 如果正反物質(zhì)是完全對稱的， 那么宇宙中完全有可能存在由反物質(zhì)組成的星球。 如果將這種猜測發(fā)揮一下， 那么我們還可以設想宇宙中不僅存在由反物質(zhì)組成的星球， 甚至有可能存在由反物質(zhì)組成的生物。 另一方面， 在宇宙大爆炸初期的極高溫條件下， 正反物質(zhì)的產(chǎn)生應該是同等可能的， 從這個角度講似乎也有理由預期宇宙中存在大量的反物質(zhì)， 甚至在數(shù)量上與物質(zhì)等量齊觀。 

但隨著理論和觀測的逐步深入， 這些初看起來不無合理性的猜測漸漸暗淡了下來。 

首先可以明確的一點是： 由于反物質(zhì)與物質(zhì)會相互湮滅， 因此在我們所生活的這顆小小的藍色星球上， 象發(fā)現(xiàn)煤礦或鈾礦那樣發(fā)現(xiàn) “反物質(zhì)礦” 是完全不可能的。 不僅如此， 反物質(zhì)在整個太陽系中的存在也是微乎其微的， 因為否則的話， 由太陽發(fā)出， 被稱為太陽風的粒子流與反物質(zhì)之間的湮滅早就應該被發(fā)現(xiàn)了。 再往遠處看， 情況也沒有實質(zhì)的改變， 雖然宇宙射線中存在一定數(shù)量的反粒子， 有些地方甚至存在反粒子源， 但那些反粒子大都來自普通物質(zhì)所參與的高能物理過程。 迄今為止并無任何確鑿的證據(jù)， 表明宇宙中可能存在反物質(zhì)星球， 或任何其它大范圍的反物質(zhì)分布。 

事實上， 不僅沒有確鑿證據(jù)表明宇宙中存在大范圍的反物質(zhì)分布， 相反， 卻有不少證據(jù)表明大范圍的反物質(zhì)分布不太可能存在。 這種證據(jù)之一來自于宇宙中重子 (主要是質(zhì)子和中子) 數(shù)量和光子數(shù)量的比值。 我們知道， 極早期宇宙中充斥著各種基本粒子， 它們隨時被高能物理過程所產(chǎn)生， 也隨時相互湮滅。 當宇宙的溫度逐漸降低時， 粒子的產(chǎn)生過程開始受到抑制， 因為它們所需的能量越來越難以達到。 對于重子和反重子來說， 這大致發(fā)生在宇宙溫度為十萬億度的時候。 在這個溫度以下， 湮滅過程起到主導作用， 重子與反重子很快因為彼此湮滅而轉變?yōu)楣庾踊蚱渌p粒子。 在那樣的過程中重子與反重子變得越來越少， 直至其密度低到連湮滅過程也無法有效進行為止， 那時仍殘留的重子就組成了我們今天所生活的物質(zhì)世界 (由此可見我們的物質(zhì)世界是多么地來自不易)。 這種過程所導致的一個顯而易見的后果， 就是今天宇宙中的重子數(shù)遠遠少于光子數(shù)， 而且早期宇宙中的重子與反重子越對稱， 這種湮滅過程就會進行得越徹底， 今天宇宙中的重子數(shù)相對于光子數(shù)也就會越少。 觀測表明， 今天宇宙中的重子數(shù)與光子數(shù)之比大約為一比十億。 這雖然已經(jīng)是一個很小的比例， 但理論計算表明， 如果湮滅過程開始起主導作用時宇宙中重子與反重子是完全對稱的話， 這個比例還要小得多， 大約會是一比一百億億。 因此， 我們所觀測到的重子數(shù)與光子數(shù)之比是一個很有力的證據(jù)， 它表明早期宇宙中的重子與反重子是不對稱的， 而我們賴以生存的整個物質(zhì)世界正是這種不對稱性的產(chǎn)物， 是一個反物質(zhì)極為稀少的宇宙。 

有讀者可能會問， 是否有可能出現(xiàn)這樣的情況， 即早期宇宙中的重子與反重子完全對稱， 只不過由于某種原因而彼此分離了開來， 從而沒有發(fā)生有效的相互湮滅？ 如果是這樣， 那就既可以保持物質(zhì)與反物質(zhì)之間的對稱性， 又可以解釋為什么我們觀測到的重子數(shù)與光子數(shù)之比遠比由對稱性所預期的一比一百億億來得高。 應該說， 這是一個很不錯的問題， 事實上， 物理學家們曾經(jīng)考慮過這樣的可能性。 但這種猜測有兩個致命的弱點： 一是沒有任何已知的物理過程可以將隨機產(chǎn)生的重子和反重子有效地加以分離； 二是如果早期宇宙中真的存在過這種正反物質(zhì)分離的情況， 那么正反物質(zhì)的湮滅在空間分布上將是高度非均勻的， 這應該會在今天的宇宙微波背景輻射中留下遺跡。 這樣的遺跡并未被發(fā)現(xiàn)， 因此這種可能性基本可以被排除。 因此， 無論觀測還是理論都表明： 我們今天所生活的宇宙是一個正反物質(zhì)不對稱的宇宙， 物質(zhì)是這個宇宙的主人， 反物質(zhì)只是稀客。 

惱人的不對稱之謎

既然我們所生活的宇宙是一個正反物質(zhì)不對稱的宇宙， 那么一個很自然的問題就產(chǎn)生了， 那就是為什么會出現(xiàn)這種不對稱？ 對此， 科學家們曾經(jīng)有過兩類不同的看法。 其中第一類看法認為正反物質(zhì)的不對稱是由初始條件決定的， 或者說是 “先天” 造就的。 顯然， 這類看法比較消極， 幾乎等于是回避問題。 令人欣慰的是， 這種 “偷懶” 的看法在暴脹宇宙論出現(xiàn)后受到了沉重的打擊。 因為按照暴脹宇宙論， 宇宙創(chuàng)生之初即便存在任何正反物質(zhì)間的不對稱性， 也會在暴脹過程中被稀釋得微乎其微。 因此初始條件并不能對今天觀測到的正反物質(zhì)不對稱性給出令人滿意的解釋。 

既然初始條件不足以解釋正反物質(zhì)的不對稱性， 那我們就只能寄希望于具體的物理過程了， 這就是第二類看法。 這類看法認為我們今天觀測到的不對稱是由某些特定類型的物理過程產(chǎn)生的。 

那么究竟什么樣的物理過程才能造成正反物質(zhì)的不對稱呢？ 早在 1967 年， 俄國氫彈之父薩哈洛夫 (Andrei Sakharov) 就提出了三個條件： 

1.必須破壞費米子數(shù)守恒。
2.必須破壞 C 和 CP 對稱性。
3.必須破壞熱平衡。
這些條件后來被稱為薩哈洛夫條件， 它們是任何能夠產(chǎn)生正反物質(zhì)不對稱的物理過程或物理理論必須滿足的。 

薩哈洛夫條件中的第一條提到的費米子是組成物質(zhì)的基本粒子， 比如電子、 質(zhì)子和中子 (進一步細分的話， 質(zhì)子和中子是由夸克組成的， 而夸克也是費米子)。 所有費米子的費米子數(shù)都是正的， 而反費米子的費米子數(shù)則是負的。 如果宇宙中的正反物質(zhì)完全對稱， 那么總費米子數(shù)將是零。 由于我們的宇宙中普通物質(zhì)遠比反物質(zhì)多， 因此總費米子數(shù)是正的。 任何物理過程或物理理論要想讓宇宙從正反物質(zhì)完全對稱 (從而總費米子數(shù)為零) 的狀態(tài)演化到如今這個費米子數(shù)為正的狀態(tài)， 就必須改變總費米子數(shù)， 從而必須破壞費米子數(shù)守恒。 

薩哈洛夫條件中的第二條提到的 C 和 CP 對稱性分別是基本粒子層次上的正反粒子對稱性及正反粒子與宇稱聯(lián)合對稱性。 其中正反粒子對稱性要求將一個物理過程中的所有粒子 (反粒子) 替換成相應的反粒子 (粒子) 時過程發(fā)生的幾率不變。 正反粒子與宇稱聯(lián)合對稱性指的則是在上述替換的同時再將物理過程換成它的鏡像 (好比是透過一面反射鏡去看它)， 過程發(fā)生的幾率也不變。 這兩個對稱性之所以必須被破壞， 是因為否則的話， 任何可以造成物質(zhì)多于反物質(zhì)的物理過程都會伴隨一個與它同樣可能的、 造成反物質(zhì)多于物質(zhì)的過程 (即上述替換過程)， 這樣兩類過程的效果將會相互抵消。 

最后， 薩哈洛夫條件中的第三條之所以必須滿足， 是因為否則的話， 任何可以造成物質(zhì)多于反物質(zhì)的物理過程都將與處在熱平衡的逆過程相互抵消。 

這三個條件雖然被稱為薩哈洛夫條件， 不過薩哈洛夫本人在其長度只有三頁的短文中其實并未如此鮮明地表述過這三個條件， 這些條件是后人依據(jù)他的思路所歸納及重新表述的。 

在這三個條件的基礎上， 物理學家們提出了許多理論模型， 試圖對正反物質(zhì)不對稱的起源作出定量解釋。 這些模型從相對簡單的電弱統(tǒng)一理論 (它是粒子物理標準模型的一部分)， 到各種各樣的大統(tǒng)一理論， 以及標準模型的超對稱推廣， 種類繁多、 應有盡有。 但迄今為止， 它們各自都存在一定的缺陷， 或是結果的數(shù)量級不對， 或是求解的困難度太大、 或是過于特設、 或是過于任意， 尚無一個令人滿意。 不過盡管如此， 現(xiàn)代物理為正反物質(zhì)的不對稱找到一個合理解釋的前景看來是比較光明的。 

結語

限于篇幅， 我們有關反物質(zhì)的介紹到這里就要結束了， 雖然自人類發(fā)現(xiàn)反粒子迄今已有大半個世紀， 但在理解物質(zhì)與反物質(zhì)的關系上還存在許多待解之謎。 除了宇宙學尺度上正反物質(zhì)的不對稱外， 在微觀尺度上正反粒子也存在著令人困惑的不對稱。 物理學家們曾經(jīng)認為， 如果我們把一個微觀物理過程中的所有粒子 (反粒子) 都替換成相應的反粒子 (粒子)， 并且透過一面鏡子去看它， 那么我們所看到的新過程將與原過程有著相同的發(fā)生幾率。 這種對稱性就是我們介紹薩哈洛夫條件時提到的 CP 對稱性。 由于這種對稱性， 反物質(zhì)有時也被稱為鏡像物質(zhì)。 但令人困惑的是， 這一對稱性既非完全成立， 也非完全不成立， 而是非常接近成立[注二]。 大自然為什么要讓這面特殊的鏡子如此接近完美卻又不讓它真正完美呢？ 我們不知道。 

反物質(zhì)是宇宙中的稀客， 但這稀客是從相對意義上講的， 宇宙中反物質(zhì)的絕對數(shù)量依然是極其龐大的， 足以為科幻小說留下巨大的馳騁空間， 這是值得慶幸的。 只不過， 反物質(zhì)星球的存在看來是極不可能的， 因為沒有任何天然的物理過程能夠讓反物質(zhì)有效地匯集起來， 并在這一過程中免遭普通物質(zhì)的 “致命騷擾”。 而反物質(zhì)生物的存在則比反物質(zhì)星球更加不可能得多， 因為即便存在反物質(zhì)星球， 在那種星球上要想演化出生物來也是難以想象的。 我們知道， 即便在距離太陽系形成已有五十億年、 太陽系空間已相當 “清澈” 的今天， 地球每天仍會受到有上千萬次的隕石撞擊 (這些隕石絕大多數(shù)在大氣層中燒毀， 只有少數(shù)落到地上， 因此我們不必擔心它們會恰好砸在我們頭上)， 這些隕石的總質(zhì)量約有幾噸。 這樣的質(zhì)量相對于龐大的地球來說無疑是微乎其微的， 但同樣的情形如果發(fā)生在一顆反物質(zhì)星球上， 那么這幾噸的隕石 (普通物質(zhì)) 與星球上的反物質(zhì)湮滅所釋放的能量將相當于上百萬顆廣島原子彈爆炸所釋放的能量。 要在一個每天被上百萬顆原子彈轟擊的星球上產(chǎn)生生物， 這恐怕是最高級的想象力也難以勝任的。 

因此， 如果有朝一日我們與某種外星球的高等生物建立了聯(lián)系， 我們可以大大方方地伸出手去和他們相握 (如果握手對他們來說也代表友善的話)， 而不必擔心大家會在這樣的親密接觸中相互湮滅。