撥開反物質(zhì)的“烏云”

反物質(zhì)、暗物質(zhì)之謎是懸浮在物理天穹之上的四朵“烏云”之一。所謂四朵“烏云”，是指物理學(xué)最前沿的研究課題，也是困擾全世界物理學(xué)家的物理學(xué)難解之謎，其中還包括類星體的超高能量、尋找自由夸克、超引力和超對稱。在近十年的時間里中國科學(xué)家與各國科學(xué)家一起，正在攜手解讀這朵“烏云”。

阿爾法磁譜儀——人類第一次太空物理實驗

阿爾法磁譜儀是以探索空間反物質(zhì)、暗物質(zhì)和載人探空過程中輻射對人體的影響為主要目的的大型國際合作科學(xué)實驗項目，是人類送入宇宙空間的第一個大型物理探測儀器。

目前，阿爾法磁譜儀實驗已經(jīng)取得了一些重要成果，并有意外發(fā)現(xiàn)。這些成果和發(fā)現(xiàn)，將有助于人類進一步探索宇宙中的最基本粒子，認識宇宙的起源。

阿爾法磁譜儀-01于1998年6月隨“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機升空。此次飛行中阿爾法磁譜儀各子探測器工作正常，性能達到了設(shè)計目標，能正確區(qū)分各種原子核及其電荷。阿爾法磁譜儀首次飛行收集了2億多個事例，其中80%為質(zhì)子，20%為各種原子核，獲得了許多重大物理成果，重大發(fā)現(xiàn)包括地球赤道上空正電子與負電子之比為4:1，首次觀察到宇宙線的第二個質(zhì)子譜，赤道上空氦3遠遠多于氦4等。此外將反氦存在的上限降低到10－6。這是人類第一次在宇宙空間中直接測量的帶電粒子，具有重要的科學(xué)意義，也為阿爾法磁譜儀在國際空間站長期運行奠定了基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院外籍院士丁肇中，這位至今工作在科學(xué)最前沿的諾貝爾獎得主在題為《尋找宇宙中的最基本粒子》的報告中說，阿爾法磁譜儀顯示的一系列現(xiàn)象，首次表明赤道上空400公里處存在一個圍繞地球的質(zhì)子環(huán)，質(zhì)子環(huán)中向各個方向飛行的粒子強度相同，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

讓科學(xué)家感到意外的是，研究結(jié)果顯示，赤道附近的正電子比負電子多一倍，而傳統(tǒng)理論認為，宇宙是中性的，由數(shù)量相同的正電原子核和負電子組成。太空中，氦原子核的成分應(yīng)該是氦4占90%，氦3占10%。但這一實驗發(fā)現(xiàn)，在赤道附近，有一個特別區(qū)域中只有氦3。這不能不說是一個奇怪現(xiàn)象。

目前，阿爾法磁譜儀-02的研制正在按計劃順利進行，2008年它將被發(fā)射升空，進行新一輪的反物質(zhì)和暗物質(zhì)探索。

阿爾法磁譜儀-02將是國際空間站上惟一的科學(xué)實驗，它是一項富于原創(chuàng)性的重大前沿基礎(chǔ)研究項目。它的主要目標是精確測量高能宇宙線的能譜，尋找反物質(zhì)以及暗物質(zhì)，測定宇宙射線中各種元素和同位素的含量，研究在飛往外星球過程中宇宙空間輻射對人體的影響，研究γ射線物理以及捕捉新的奇異物理現(xiàn)象。

狄拉克的預(yù)言——科學(xué)還是科幻

英國著名的物理學(xué)家狄拉克早在1928年就預(yù)言了正電子的存在，他把正電子比作在真空的大海中生成的一個氣泡。他覺得電子和它的反粒子——正電子都是從虛無中創(chuàng)生而來，或者說，電子一旦與正電子相遇彼此便會消失得無影無蹤。半個世紀以來，狄拉克的預(yù)言曾得到一片喝彩聲，這倒不是因為他發(fā)現(xiàn)了一個真理，而是人們——大都是科學(xué)幻想家對他的奇思妙想佩服得五體投地。于是反物質(zhì)從此成了離奇的科學(xué)幻想作品的絕好素材，所謂反物質(zhì)宇宙、反物質(zhì)人、反物質(zhì)炸彈、反物質(zhì)推進……從人們的頭腦里源源不斷地演繹出來。

根據(jù)相對論和萬有引力定律，在宇宙的很多區(qū)域中，僅以我們能觀察到的“亮物質(zhì)”的質(zhì)量計算，不可能產(chǎn)生現(xiàn)在觀測到的這么大的引力，由此推斷，要么是牛頓、愛因斯坦錯了，要么存在既不發(fā)光、也不反光的暗物質(zhì)，而且它們占宇宙總質(zhì)量的比例高達90%。它們在哪里？它們由什么構(gòu)成？人們一無所知。宇宙中究竟有沒有反物質(zhì)？現(xiàn)在還不清楚。按目前公認的假設(shè)，大爆炸會產(chǎn)生質(zhì)量相同、電性相反的兩種物質(zhì)，有人認為反物質(zhì)大量存在，只存在于遙遠的反物質(zhì)宇宙中。有無反物質(zhì)在地球上沒法找到答案，因為反物質(zhì)一旦進入大氣層就“湮滅”了，只有到宇宙中研究，才能搞清反物質(zhì)的真相。

如果反物質(zhì)世界距我們并不遙遠，那里生成的反質(zhì)子和反氦原子核就會以宇宙線的形式，往來于星河系，其中極微量的反粒子也許會來到地球。反氦原子核是物質(zhì)世界中的粒子在碰撞等過程中不能生成的，如果我們從宇宙線中發(fā)現(xiàn)了反氦原子核，那么我們就算拿到了反物質(zhì)世界存在的證據(jù)。

如果反物質(zhì)世界在我們的近旁不存在的話，那么科學(xué)家觀測到反質(zhì)子又來自何方呢？科學(xué)家傾向于認為，反質(zhì)子是宇宙中若干中基本粒子發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物，如果情況確實如此，由于科學(xué)家從宇宙線中僅檢測到極稀少的反質(zhì)子，那倒可以認為為探索發(fā)生在宇宙空間的，令人感興趣的基本粒子反應(yīng)創(chuàng)造了契機。

在現(xiàn)代宇宙理論中，宇宙是從“虛無”狀態(tài)誕生的，隨即經(jīng)歷了急速膨脹，形成一個超高溫的火球——“大爆炸宇宙”。大爆炸宇宙充滿極高能量。在這種高能狀態(tài)下，可能產(chǎn)生了大量大質(zhì)量粒子，此后隨著宇宙的膨脹，在溫度下降的過程中，這類大質(zhì)量粒子崩解成為質(zhì)量較小的粒子，在這時候生成了粒子和反粒子。如果這時產(chǎn)生的粒子與反粒子數(shù)量相同，那么隨著宇宙空間溫度下降，粒子和反粒子就會相遇并湮沒，同時釋放出Ｘ射線，介子和光，以及極大的能量。情況果真如此，最終宇宙中就不會存在粒子和反粒子，銀河系和地球當(dāng)然也就不會存在了。然而，當(dāng)這類質(zhì)量相當(dāng)大的粒子崩解時，極微弱的粒子與反粒子的平衡會被打破，比如從比例上來說，對應(yīng)1億個反粒子，生成的粒子數(shù)是1億個加1個，很快，1億個粒子與1億個反粒子相遇湮沒，留下1個粒子，于是剩余的粒子聚集成為物質(zhì)，進而形成了充滿宇宙的星系和各種天體?？茖W(xué)家認為，這微不足道的粒子與反粒子數(shù)量上的區(qū)別，導(dǎo)致了大質(zhì)量粒子崩解時被稱為“CP對稱性破缺”的基本粒子現(xiàn)象。

上面談到的“CP對稱性破缺”在整個宇宙中都無例外，可以認為，整個宇宙都是由粒子構(gòu)成的。不過，如果這種“CP對稱性破缺”只發(fā)生在宇宙的局部，那么宇宙的某個空間里就有可能生成大量的反粒子，這樣一來由反粒子構(gòu)成的星系和種種天體，也就是說反物質(zhì)世界不就產(chǎn)生了嗎？我們不妨想象：宇宙某個范圍是物質(zhì)世界，另一個范圍是反物質(zhì)世界，而我們?nèi)祟愔皇桥既痪幼≡谖镔|(zhì)世界里。

宇宙中充滿了用光和電磁波無法觀測到的“暗物質(zhì)”，暗物質(zhì)的全部質(zhì)量估計有可見物質(zhì)全部質(zhì)量的幾十倍。暗物質(zhì)究竟為何物，目前仍不清楚，不過關(guān)于基本粒子的“超對稱論”所預(yù)言的超對稱性粒子，有可能被認定為暗物質(zhì)。如果超對稱粒子就是暗物質(zhì)的話，它們就會在銀河系內(nèi)以0.01倍的光速往來奔突，這種超對稱粒子彼此碰撞，就有可能在產(chǎn)生極微量的質(zhì)子的同時，產(chǎn)生反質(zhì)子。

【責(zé)任編輯】龐云