反物质，宇宙的镜像世界

反物质驱动(qūdòng)飞船想象图。光明图片/视觉中国 反物质驱动飞船想象图。光明(guāngmíng)图片/视觉中国 反物质发电反应堆想象(xiǎngxiàng)图。光明图片/视觉中国 如果，反物质真的存在(cúnzài)，它们在哪里？当前物理学知识认为(rènwéi)，在宇宙诞生之初，正物质与反物质应是等量存在的。那么，在我们这个物质世界之外，是不是还有一个完全相反的世界？如果并没有一个“反世界”，那么，又是什么让正物质保留了(le)下来，构成(gòuchéng)了今天的世界？如今(rújīn)，反物质已经成为研究的热点和焦点。 想象一下，当你每天起床洗漱的(de)时候，面前的镜子(jìngzi)里出现了一个与你对称的人影。他有着和你一样的相貌，做着同样的动作，却处在“相反”的空间。镜子中的人影就是反物质的一种体现——反物质是物质的“镜像”。在物理学(wùlǐxué)中，反物质是与普通物质相对应的一种存在(cúnzài)。 每种粒子，例如电子、质子、中子，都有一个“反粒子”，它们的质量相同，但电荷(diànhè)等性质相反。当反物质(fǎnwùzhì)与普通物质相遇时，双方(shuāngfāng)会相互湮灭，释放出(chū)能量——这就是反物质与普通物质之间最引人瞩目的特性，湮灭性。 反物质的(de)(de)(de)发现可以追溯到(zhuīsùdào)20世纪初。1928年，英国(yīngguó)物理学家保罗·狄拉克试图将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论相结合来描述电子(diànzi)时，通过数学推导发现，方程的解中必须(bìxū)引入(yǐnrù)一种“负能量状态”的粒子，他由此首次预言(yùyán)了电子的反粒子——正电子的存在。1932年，美国物理学家卡尔·安德森在研究宇宙射线时，通过云室实验首次观测到正电子的轨迹。带负电的电子在磁场中偏(zhōngpiān)转向了一个方向，而带正电且质量相同的粒子偏转向了另一个方向，这证实了狄拉克的预言。随后，1955年，物理学家钱伯伦、塞格雷、维冈德、伊普西兰蒂斯在美国劳伦斯·伯克利国家实验室的前身，通过回旋加速器中高能粒子的碰撞，首次人工产生了反质子。 在(zài)反物质的研究中，中国也在发力。特别是最近几年(jǐnián)，中国科学家有了很亮眼的表现。2024年8月，我国科学家在一项国际合作实验中，通过重离子(zhònglízi)碰撞，成功观测到了反超氢-4。这是科学史(kēxuéshǐ)上迄今为止观测到的最重的反物质超核，实现了在反物质研究中新的突破。 为什么要研究(yánjiū)反物质？ 我们生活在一个物质(wùzhì)占(zhàn)绝对主导的(de)世界，自然界中的反物质(fǎnwùzhì)极为稀少。即使是高能宇宙射线中的反粒子，也会迅速与地球大气中的物质湮灭。既然如此，科学家们为什么还要花费巨额成本去研究它？因为，研究反物质是我们了解物质世界的重要窗口。这里，笔者给大家(dàjiā)介绍研究反物质的三个“小目标”。 目标一：反物质去哪(nǎ)了？这是(zhèshì)著名的“重子不对称问题(wèntí)”。宇宙大爆炸理论认为，在宇宙诞生初期，物质和(hé)反物质应该是等量产生的，但今天我们(wǒmen)观察到的宇宙几乎完全由物质组成。通过研究反物质，科学家希望找出物质为何在宇宙中占据主导地位的答案，进而揭示宇宙的形成机制(jīzhì)。这是现代物理最重要，也是最根本的未解之谜之一。近年来，对物质-反物质对称性(duìchènxìng)破缺的研究成为一个突破口——这种对称性破缺可能解释(jiěshì)，为何反物质在大爆炸后的早期阶段逐渐“消失”，只留下了少量优势的物质，这种微妙的不对称可能是宇宙存在(cúnzài)的根源。 目标二：我们发现的物理定律对反物质适用吗？这是要测试物理定律的对称性。有助于推动对基本物理定律的理解，甚至发现新的物理规律。比如，反物质会不会受到地球引力的吸引？换句话说，如果(rúguǒ)把一团(yītuán)反物质放在空中，它会像(xiàng)苹果(píngguǒ)一样往下掉吗？这个问题(wèntí)看似(kànshì)简单，但其背后隐藏着对爱因斯坦(àiyīnsītǎn)广义相对论和物理基本对称性的严峻挑战。根据广义相对论，所有物体都应该以相同的方式响应(xiǎngyìng)重力场，不管它们的质量大小、组成(zǔchéng)成分、是物质还是反物质，这叫做“等效原理”。这个原理，在普通物质上已经被反复验证，但在反物质上，却一直悬而未决。 我们最近有了能力以实验去“测试”它(tā)(tā)。反氢原子是由一个反质子和一个正电子组成的(de)(de)反物质原子，它是氢原子的镜像版——理论上，它与氢原子有相同的质量、相似的结构，只不过构成的基本粒子是反的。欧洲核子研究中心的科学家们首次(shǒucì)成功地制造并“捕捉”到(dào)反氢原子。他们利用强磁场将反氢原子悬浮在真空中，防止它与容器接触发生湮灭。2023年，实验团队“关掉(guāndiào)”了磁场，让反氢原子在无外力作用下自由运动。实验结果表明，反氢确实会向下(xiàngxià)掉落(diàoluò)，其响应引力的方式与普通物质一致，在当前(dāngqián)的测量精度范围内，没有发现明显差异。虽然目前的实验精度还不够高(gāo)，但这已经是一个重大的里程碑。它告诉我们，爱因斯坦的广义相对论很可能也适用于反物质，这进一步巩固了现代物理(wùlǐ)的基石。此外，科学家们同样通过测量反氢原子的光谱，来检验描述微观基本粒子相互作用的物理理论的精确性(jīngquèxìng)以及物质和反物质的不对称性。 目标三：研究暗物质(ànwùzhì)。暗物质在宇宙结构的形成和演化中发挥着重要作用，但是它既不发光也不吸收光，至今尚未被直接探测到(dào)。如果存在暗物质的“镜像”——反暗物质，它们之间就能够湮灭，产生(chǎnshēng)更多(duō)的反物质。科学家(kēxuéjiā)(kēxuéjiā)们在地球空间轨道上发射了一些探测器去测量地球周围的反物质。令人惊讶的是，他们观测到了比预想中更多的正电子和反质子，甚至寻找到了反氦(hài)核的迹象。许多(xǔduō)科学家认为，在银河系中心存在着高密度的暗物质和反暗物质，它们湮灭产生的反物质，最终导致了我们在地球附近观测到的反物质超出。虽然这些反物质超出的起源仍然有待(yǒudài)确认，但是反物质的研究的确(díquè)为我们解开暗物质的谜团打开了一个新的窗口。 反物质也并非只能(zhǐnéng)在理论和实验物理研究中存在，它已经悄然改变(gǎibiàn)我们(wǒmen)的生活。正电子发射断层扫描（PET）就是利用正电子进行的医学成像技术——医生在患者体内注射含有放射性(fàngshèxìng)正电子的示踪剂，当正电子与电子湮灭时会释放出光子；通过追踪这些光子，成像仪能够重建出高精度的体内代谢图像(túxiàng)。 这并不是反物质研究在(zài)(zài)健康领域(lǐngyù)的唯一用途。欧洲核子研究中心也在2003年至2013年间开展了反质子细胞实验（ACE），旨在评估反质子在癌症(áizhèng)治疗(zhìliáo)中的有效性(yǒuxiàoxìng)和适用性。这个实验汇集了来自全球10个研究机构的物理学家(wùlǐxuéjiā)、生物学家和医学专家，共同研究反质子对生物细胞的影响。到目前为(wèi)止，粒子束疗法主要使用质子来摧毁(cuīhuǐ)癌细胞。这些粒子以(yǐ)预定的能量被送入患者(huànzhě)体内(tǐnèi)，刚好在到达肿瘤特定深度时停止。然而，在摧毁癌细胞的同时，粒子束也会影响健康细胞，重复治疗会增加对健康组织的损害。ACE实验尝试了一种新方法(fāngfǎ)，那就是使用反质子来治疗癌症。反质子和癌细胞相遇时，它们会像“爆炸”一样相互摧毁。实验利用这一效应，让反质子与癌细胞原子核的一部分湮灭。湮灭释放的能量将原子核炸开，并将碎片投射到相邻的癌细胞中，从而摧毁它们。实验发现，使用反质子能够(nénggòu)更高效地摧毁癌细胞，同时减少对健康细胞的伤害。尽管ACE实验已于2013年结束，将反质子应用于临床治疗仍然面临诸多挑战，但其研究结果为未来癌症治疗方法提供了新的视角(shìjiǎo)。 反物质也(yě)是一种具备巨大潜力的(de)(de)能源。反物质与普通物质湮灭时，几乎100%的质量都会转化为能量，产生的能量密度是传统化石燃料的10亿倍，是核电站的1000倍。反物质和物质湮灭时产生的能量也是纯粹的，不会留下任何污染或温室气体。若能克服当前的技术瓶颈，实现高效可控(kěkòng)的反物质存储和利用，那么反物质将(jiāng)成为一种近乎完美(wánměi)的清洁能源。 反物质(fǎnwùzhì)的(de)这一特性为星际旅行提供更多可能(néng)。反物质火箭(huǒjiàn)引擎的理论推力可以达到(dào)普通火箭引擎的千万倍以上。有科学家估计，使用反物质燃料的火箭，其(qí)速度有可能达到光速的15%。这意味着，从地球到月球的旅程，可能只(zhǐ)需要短短的9秒。而反物质的高能量密度意味着，即使携带少量的反物质，也能为航天器提供足够的能量，进行长时间的深空探索。这对于星际旅行来说至关重要。虽然反物质火箭引擎的实现还面临诸多困难，但随着科学技术(kēxuéjìshù)的进步，这些难题有望逐步得到解决。反物质作为未来航天领域的一种潜在革命性技术，正吸引着全球(quánqiú)科学家的关注和努力。到了那一天，人类的太空探索将(jiāng)进入一个全新时代，星际旅行将成为现实！ （作者：宋宁强，系中国科学院理论物理研究所副研究员(fùyánjiūyuán)） 问(wèn)：在不少科幻作品中，反物质被描绘成无比危险、稍有不慎就毁天灭地的(de)“终极(zhōngjí)武器”——物质和反物质湮灭时能够释放巨大的能量。反物质会摧毁世界吗？ 宋宁强：目前大家完全不用担心。的(de)确，根据爱因斯坦的狭义(xiáyì)相对论，1千克反物质(fǎnwùzhì)(fǎnwùzhì)(fǎnwùzhì)(fǎnwùzhì)与(yǔ)1千克物质湮灭，可释放约(yuē)4300万吨(wàndūn)TNT爆炸的能量，相当于人类历史上最大的氢弹。然而，地球上几乎无法自然产生稳定存在的反物质。实验室中(zhōng)制造的反物质数量极少，制造成本也极其高昂——欧洲核子研究中心一年制造的反质子仅为十亿分之一克量级，制造1克反物质需要消耗的能量就相当于全世界四万年的电力消耗，成本超过6000万亿美元。此外，储存反物质也极为困难，任何容器都(dōu)由物质组成，一旦反物质接触到容器壁，就会湮灭消失。科学家专门开发了“磁瓶”等技术通过磁场将反物质“悬浮”起来，暂时保存在真空中，但效率和稳定性都很低。现阶段，用它来制造“反物质炸弹”几乎不可能。