宇宙中有反物质天体吗

　粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核，反核和反电子结合在一起，就能组成反原子。我们的正物质世界有多少种原子，相应在反物质世界中也能有多少种反原子，而且它们在结构上将是完全没有区别的，延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系就应当存在。因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？

　　要由观测来分辨远处星系由物质构成或反物质构成并不容易，至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。原则上，正物质天体若辐射光子，那么同样的反物质天体应当辐射反光子。但是光子是纯中性的粒子，因此光子与反光子是同一种粒子。这样，天文学家通过可见光、射电、X射线或 γ 射线观测，原则上无法区分他的目的物是由物质构成还是由反物质构成。恒星和星系除了辐射光子外，它们还辐射中微子。中微子与反中微子很不一样，如果天文学家能接收中微子，那么他就能区分物质天体与反物质天体。可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱，造一个能接收它们的仪器很困难。今天用这办法来区分物质天体或反物质天体还办不到。那么让我们问：与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组彻吗？

　　月亮是离我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。如果月球是由反物质组成的，那么在那位宇航员与月球接触时，湮灭过程早已把他转化为介子了。这是直接证据，表明月亮是正物质天体。至于太阳，那是人类没有可能登陆的地方。那么怎么才能知道它不是由反物质组成的呢？太阳表面的气体很热，其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度，这就是太阳风的起因，若太阳是反物质恒星，太阳风就由反原子组成，它吹到行星上，就会和行星的正原子相湮灭。于是正物质组成的行星会逐渐消失掉，这种消失过程没有发生，就证明了整个太阳系中没有反物质天体。这样，如果要存在反物质天体，它至少应在太阳系之外。

　　1979年，美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空，气球上载有一批十分灵敏的探测仪器，结果，它在高空猎取了28个反质子。这是在地球以外第一次发现的反物质。除此之外，还在星际空间发现了反物质流。

　　把眼光放远到整个银河系，要问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中，会有一部分是反恒星吗？今天人们也已能肯定地回答：不会有。我们从地面上能接收到太空中飞行的宇宙射线。观测统计表明，宇宙射线粒子中反质子仅是质子的万分之几，并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物，而不是原始的，此外宇宙射线中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子却一个也没有发现过，这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的。如果银河系中有反物质恒星，那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭。湮灭产生的 π 0 介子将很快衰变而成 γ 光子。因此这种湮灭过程是能够通过 γ 射线的观测来发现的。正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的 γ 光子，使人们知道，银河系中并没有反恒星的存在，整个银河系都是由正物质组成的。

　　我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系，原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体。因此，若既有正物质星系又有反物质星系，那么正反物质必会相遇，相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 γ 射线，而没有找到过。于是得出结论：在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。

　　在这样的结果面前，人们的看法分成了两种。一种认为宇宙中正反物质应当是等量的，需要的是从更远处去寻找反物质星系存在的证据。另一种认为事实已暗示，宇宙中没有大量的反物质存在，需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。

     继续寻找反物质的努力

　1998年的夏天，美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传过它。美国著名华裔科学家丁肇中也正致力于此。

　　如果相信宇宙中有等量的物质和反物质，那么在三千万光年之外应有大范围的反星系区存在。在那里，原始的宇宙射线应是由反质子和反 α 粒子组成的。那里的部分宇宙射线粒子会飞进我们这个由正物质构成的区域。由于星系际大部分地方很空旷，气体的密度约只有每立方米一个质子的质量。因此反原子核可自由地飞行很长的距离。这样，放置在地球大气层之外的磁谱仪就能接收到它。这就是阿尔法磁谱仪计划的基本想法。

　　上面已提到，实际测到的并不只是原始的射线粒子，它也包含由中途碰撞产生的次级粒子。因此当我们从宇宙射线中发现了反质子，它并不说明远处一定有反物质天体区存在。这些反质子完全可能是次级产生的。反原子核就不一样。它是由若干个反核子结合而成的复合体，所以不可能是碰撞产生的次级粒子。因此，如果能从宇宙射线中观测到那怕只有一个反 α 粒子，它将是有力的证据，表明远处有反物质天体存在。阿尔法磁谱仪能同时准确地测定飞入仪器的粒子的质量和电荷。当太空中有反 α 粒子飞入磁谱仪，它是容易被分辨出来的。这正是设计者所期望的事。现在阿尔法磁谱仪升空已有一年了，它接收到的信息正在陆续送回，其结果无疑非常令人关注。

　　若阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在，那它肯定是一个里程碑式的成果。它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体，更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按现有的物理理论，没有一种己知的作用力能使它们发生大范围的分离。因此，如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质，物理学将需要突破性的变化。

　　新华网消息　宇宙中果真存在神秘的反物质，它们在哪里？记者昨天从中科院高能物理所了解到，为解开这个世纪之谜，中国和意大利在西藏海拔４３００米的羊八井地区，将建成世界上第一个１万平方米“地毯”式粒子探测阵列实验站，用以接收来自宇宙的高能射线和反物质粒子。

　　据高能物理所天体宇宙实验室研究员卢红博士介绍，宇宙高能射线是人类能获得的惟一来自太阳系以外的物质样本。长期以来，它一直是科学家探索宇宙奥秘的研究对象。自从宇宙大爆炸理论出现后，科学家又一直致力于从宇宙射线中找到猜想中的神秘的反物质。但迄今为止，科学家们都未能找到反物质的踪迹。

　　据了解，中国和日本科学家早在十年前已在羊八井地区设置了分散的外观如蜂箱的粒子探测器，开展了宇宙射线的研究。先后接收到了正电子、μ子、л介子等高能粒子。而改建新的“地毯”式探测阵列，除了面积更大，还由于它是由玻璃板一样的方形平板组成，可以像铺地毯一样拼接而几乎没有缝隙，弥补了过去间距过大，丢失信息的缺点。

　　目前，容纳粒子探测陈列的一万平方米的实验厅已于６月完工。中意两国科学家现在正在铺设“地毯”，铺设和调试工作大约需要两年时间。据悉，此项世界上海拔最高的科学工程，已得到中意两国政府的约８０００万元人民币的支持

     正反物质的不对称疑难

     在多数理论家看来，宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。因此，三千万光年的范围内没有反物质天体，已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信，极早期宇宙中正反物质应当等量。这样，需要做的事是寻找物理机理，来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态。这里，理论家也遇到了非常尖锐的困难。

　　按照大爆炸理论，甚早期宇宙介质的温度非常高。粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。当粒子的成对湮灭与成对产生达到统计平衡，宇宙介质就是一切基本粒子构成的混合气体，且任一种稳定或不稳定的粒子都有接近相等的数密度。至于重子和反重子的数目是否严格相等，这不是由物理规律决定，而是由初条件决定的。

　　在理论家看来，在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出，若这想法是对的，重子的守恒性立即会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至10 13 K以下，由于粒子的热动能已不够，热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终，宇宙中将既没有重子，也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景。事实上，今天宇宙中光子的数目最多．重子的数目是它的十万万分之一左右，反重子的数目很可能还要低许多量级。如果重子数B的守恒性是严格的物理规律，要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后，理论家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子，那么问题的出路在哪儿？

　　重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗？至今难以计数的粒子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例，但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴。化学反应是元素的重新组合。经验表明，在重组合的前后，每一种元素的原子数是守恒的，无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败，更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识后人们已清楚知道，汞变成金完全可能，关键在于要有高的能量让原子核发生变化。化学反应是在粒子能量小于1eV的条件下进行的，这条件下原子核不能相互接触，核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过1MeV，原子核之间就能充分接近，那么原子核就能变化了，原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来，原子数在化学过程中的守恒不是偶然的，但是它仅是低能下的唯象规律，而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理，重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律，而不是普遍成立的。当粒子的能量更高，重子数的守恒性完全可能会不成立，这正是今天的理论家看到的出路。

　　从70年代中期起，粒子物理中由弱电统一理论的成功，掀起了研究相互作用大统一的潮流。按这样的理论，高能下发生破坏重子数守恒的过程是自然的事，粒子物理中的这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合了。于是这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展。人们已清楚，要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质为主的状态，除了重子数守恒须可能被破坏外，正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别。由于超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握，因此实际上自然界是否确实具备这两个要素，尚不能回答，人们正在试探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实，问题是否能按这思路得到解决也还并不完全肯定。

　　总之，为彻底揭开宇宙反物质之谜，前面还有漫长路要走。人们已能预料，这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的，它对物理学的影响也将是很深刻的。

　　下面是小说《天使与魔鬼》（丹·布朗著）中提到的一些：

　　反物质是人类目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率释放能量（核裂变的几率是百分之一点五）。反物质不造成污染，也不产生辐射，一小滴反物质就可以维持整个纽约城全天的动能。

　　先别过于乐观，个中可隐藏着危机……

　　反物质极不稳定，它可以把接触到的任何东西化为灰烬……连空气也概莫能外。仅仅一克反物质就相当于20千吨当量的核炸弹的能量——相当于当年扔在广岛的那颗原子弹的能量。

　　当物质与反物质接触，原子最外层的电子因为所带电荷相反而抵消，原子核中的质子也因同样的原因相互抵消，而反中子因磁性与中子相反而与中子进行强烈的碰撞发出惊人的能量。爱因斯坦曾计算过这种完整的能量释放比率,跟这种完全的能量释放相比，核裂变就像划燃一根安全火柴一样微不足道。