出品：科普中國

製作：崔二亮 （西北農林科技大學）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

近日，來自歐洲核子中心（CERN）的阿爾法合作組（ALPHA collaboration）報導了氫原子的反物質對應物，即反氫原子能級結構中的特定量子效應——精細結構（fine structure）和蘭姆位移（Lamb shift）。一直以來，科學家根據反物質對應的物質的性質，理論上假設反物質的量子效應與物質一致。而這次的測量結果顯示，反物質原子的特定量子效應與「普通」 物質原子中的理論預言相一致，這為進一步精確測量反物質的特定量子效應和其他基本性質奠定了基礎。此類研究有助於揭示物質和反物質之間的區別，這一結果發表在最新的《自然》期刊上。

什麼是反物質？——科學而非科幻

對許多人來說，反物質聽起來科幻得都近乎玄幻，同時也是最危險的存在。在丹·布朗的懸疑驚悚小說《天使與魔鬼》中，「光照派」教徒從歐洲核子中心地下實驗室偷取大量反物質製造出反物質湮滅彈埋藏在梵蒂岡，試圖在教皇選舉日一舉毀滅天主教中心。這部小說後來被改編成由湯姆·漢克斯主演的同名電影。對於中國讀者來說，丹·布朗的另一部小說《達文西密碼》則更為出名。

什麼是反物質？

物理學對反物質的定義是：反物質是物質的對應物，二者物理性質相似，但是所有的量子數都反號，如電荷量。

讓我們從最簡單的電子說起。電子帶有一個負電荷，那麼，與電子對應的反物質「反電子」（antielectron）或者說「正電子」（positron）則帶有一個正電荷。正電子和電子的質量一樣，但是電荷卻相反。

早在1928年，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）將量子理論和狹義相對論結合，寫出電子在高速運動下的薛丁格方程，被稱為狄拉克方程，這一方程為狄拉克贏得了1933年的諾貝爾物理學獎。如同方程x2=4有兩個根（x=2或者x=-2）一樣，狄拉克方程也有兩個可能的解，一個解表示電子擁有正能量，叫做正能解，另外一個解表示電子擁有負能量，叫做負能解。

但是經典物理學和常識告訴我們，一個粒子的能量總是正值，不可能是負值。狄拉克創造性地將負能解理解為反粒子的能量，他認為對於每一種粒子（particle），都存在一個對應的反粒子（antiparticle），這兩種粒子性質相同，只有電荷是不同的。比如與電子對應的反粒子是正電子，這種解釋為人類打開一個全新的」物質世界」——反物質世界。

在1932年，卡爾·安德森（Carl Anderson）在研究宇宙射線的時候發現了正電子，從而證實了狄拉克這一大膽的預測。

這一發現啟發人們：是不是每一種粒子都存在和它的性質相同卻帶有相反的電荷的反粒子？（事實上，不帶電的粒子也有反粒子，它的反粒子也不帶電，比如光子的反粒子是它本身。

科學家開始通過各種方法去尋找反物質。科學家試圖在宇宙射線中尋找反質子，但並未發現。1954年美國加州伯克利開始運行高能質子同步穩相加速器Bevatron。次年，Bevatron合作組首次發現反質子，文章發表在該年11月1日的《物理快報評論》（Physical Review Letters, PRL）上，這是首次觀測到帶有負電荷的反質子。1956年，Bevatron合作組發現反中子。

反物質不僅存在，還能被」製造」出來

其實，目前物理學家們已經能夠在實驗中「製造」大量反物質用於研究了。

歐洲核子中心的反質子減速器AD(Antiproton Decelerator)就是一台將產生初期的高速反質子減速用於研究反質子或者反原子性質的儀器。

「製造」反物質並不容易，但也並非不可能。

首先，我們需要理解愛因斯坦那個著名的質能方程E=mc2。這個方程告訴我們，質量和能量是等價的，可以通過一些手段，將質量轉化為能量，也可以將能量轉化為質量。相信大家對質量轉換為能量的例子並不陌生——核裂變和核聚變——虧損的原子核質量轉化為巨大能量並釋放，這為我們人類永久解決能源問題帶來曙光。

要獲得反物質，即，產生一定質量的粒子，理論上只需要將一定的能量轉化為質量就可以。你要獲得的反物質粒子質量越大，需要消耗的能量也就越大，比如質子的質量大概是電子質量的2000倍，那麼製造反質子需要的能量也至少是正電子的2000倍。

如果你只是想獲得輕的反物質，比如說正負電子對，高能光子就足夠了。高能光子可以是一種特別的電離輻射——γ輻射。一些原子核衰變可以產生γ輻射。當然，還有的原子核衰變可以直接產生正電子，這是一種β輻射，大部分的β輻射產生的是電子，只有少部分直接產生正電子。

科學家通過高能加速器將粒子加速獲得高能，高能粒子碰撞之後釋放的能量會產生正反物質對。我們所熟悉的粒子加速器有，北京正負電子對撞機BEPC、歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC、日本國家高能物理研究所的高亮度正負電子對撞機B工廠、美國斯坦福直線加速器SLC等。

其實，生活中一些元素能直接通過衰變產生反物質。比如，我們生活中常見的一種水果香蕉中富含的鉀元素K就能通過衰變產生正電子。

天然的鉀元素中大部分是39K，也包含少量39K的同位素40K。40K具有放射性，可以通過放射出一個電子變為鈣40Ca，也可以放射出一個正電子變為氬40Ar。不過你儘管放心大膽地吃香蕉，不必擔心輻射也不必擔心正電子會把你湮滅掉，因為天然鉀中放射性同位素40K的含量太低了，畢竟，離開劑量講毒性都是「耍流氓」。

實際上，現在一種解析度很高的醫學影像設備叫正電子發射斷層掃描儀（PET/CT），已經較為廣泛地用於醫療檢測。PET/CT由PET和CT兩部分組成，PET顯像是將發射正電子的核素引入人體內，發射出來的正電子與體內的電子發生正反電子湮滅轉換成高能光子射至體外成像，PET/CT最終分別給出PET的圖像、CT的圖像以及聯合圖像，這對於精確確定病灶和病灶的變化非常重要。

獲得反物質很難，保存它更難

如果我們周圍有反物質——不僅僅是香蕉產生的正電子，宇宙射線中也有正電子，別忘了發現的第一個反物質粒子就是宇宙射線中的正電子——那麼一個麻煩的問題來了：宇宙中竟然存在反物質，為什麼不容易看見？

身處物質世界中，反物質粒子一旦產生並遇到對應的物質粒子，就會被湮滅掉，湮滅的正反物質對會放出高能的雙光子。

正反物質湮滅產生的雙光子有多高能呢？

我們以0.5克的反物質和0.5克的物質碰撞湮滅為例。只需用質能方程做個簡單的乘法就能知道：E=mc2，其中質量m是正反物質的總質量1克，c是真空中的光速約為30萬公里/秒，0.5克的反物質和0.5克的物質碰撞湮滅之後會產生90,000,000,000,000（九十萬億 ）焦耳能量。

這個能量是什麼概念？食用一根普通香腸（約75克），可以為身體提供的熱量是300大卡（千卡），約為1,200,000焦耳。如果將0.5克反物質湮滅產生的能量換算為提供熱量的香腸的數量，你需要約7200萬根這樣的香腸。

如果是換算成美國曾用於實戰的「胖子」原子彈是多少呢？「胖子」原子彈爆炸產生的威力為20000噸TNT當量，1克TNT爆炸釋放的能量是4181焦耳，那麼很容易得到0.5克反物質湮滅釋放的能量超過1000個「胖子」原子彈產生的能量！

這也就是為什麼《天使與魔鬼》中的「光照派為什麼要偷取歐洲核子中心實驗室中的反物質製造反物質湮滅彈試圖毀滅梵蒂岡。但是電影中卻沒有告訴你，」光照派」是用什麼容器盛放反物質的。

不過幸運的是，從技術上來說要製造和保存即使是0.5克的反物質，也幾乎是不可能的。這類似於一個經典疑難：一個科學家發明了能夠溶解一切的藥水，那這個藥水要裝在哪裡？天然形成的反物質或者人工製造的反物質，一旦遇到物質粒子，就會被湮滅掉。我們要把反物質放在哪裡？

雖然很難，但理論上還是保存反物質的方法。你不可能將反物質放入一個普通的盒子儲存起來，因為反物質馬上就會發生湮滅而消失。為了避免反物質和物質直接接觸，必須要放入真空環境中，而真空又需要密閉，密閉的容器必然是物質做成的，你還需要避免反物質運動與容器壁碰撞接觸。這個時候，你需要強的電磁場將反物質約束在一定空間內。科學家使用一種叫潘寧阱（Penning Trap）的電磁約束裝置來保存反物質。一種潘寧阱結構及離子在阱中的運動軌跡示意圖(Image: CNKI)

為什麼研究反物質世界？——細思極恐的科學

反物質這麼危險，發現反物質這麼難，為什麼我們還要研究反物質、甚至是反物質世界呢？

反物質只是和普通物質性質相同，電荷相反，這只是物理學家的假設。根據反物質對應的物質的性質，我們假設反原子發出的光和物質原子發出的光是一樣的，反物質物體也會在重力作用下做落體運動，但是真實情況其實我們並不知道。我們得到的反物質太少了，反物質的儲存又如此艱難。

事實上，反物質遠不止這麼簡單。圍繞著反物質還有許許多多的問題，其中最基本的問題就是反物質哪裡去了？為什麼我們的世界是物質的而不是反物質的？反物質的研究還涉及到我們現在宇宙存在的合理性。

根據大爆炸理論，宇宙產生初期，高能能量基團產生出等量的物質和反物質，產生的正反物質對又會湮滅，這一過程伴隨著宇宙的膨脹循環往復。在膨脹過程中，宇宙慢慢冷卻下來，正反物質對產生過程終止，現存的正反物質應該是等量的。

然而事實並非如此，目前科學家發現，我們的宇宙幾乎只由物質構成。只有證明正反物質之間的對稱性不嚴格，才能說明我們現在宇宙的存在就是合理的，即使這種對稱性破缺只有百萬分之一。

因為，如果有大量反物質存在，就會不斷有湮滅過程產生，即使距離我們很遠，依照人類現在的觀測手段來講，也是能夠觀測到的，但事實是，我們並沒有看到。

我們的物質世界主要是由粒子而不是反粒子構成，這就是著名的正反物質不對稱性謎題或者叫電荷-宇稱不守恆（CP破缺）。

1956年，華裔美籍物理學家楊振寧（Chen Ning Yang）（現為中國籍清華大學教授）和李政道（Lee Tsung-Dao）發現了弱相互作用下宇稱不守恆。同年，華裔美籍女物理學家吳健雄（Wu Chie-Shiung）用鈷-60的弱衰變證明了楊-李的理論。次年，楊、李二人即獲得諾貝爾物理學獎。正是由於正反物質不對稱，才造成我們今天的宇宙主要有物質而不是反物質構成。

也許有人會問，怎麼知道世界是物質的而不是反物質組成的呢？

這是因為我們先發現的物質，「物質」和「反物質」只是兩個名稱而已。如果在另一個宇宙中，科學家為宇宙的組成命名為「反物質」，那麼它們就是一個「反物質」世界。說不定，有一個「鏡中」的世界，存在於我們的平行時空里，那裡也有一個你的對應者！

參考文獻：

[1] Ahmadi, M., Alves, B.X.R., Baker, C.J. et al. Investigation of the fine structure of antihydrogen. Nature 578, 375–380 （2020）.

[2] CERN news: ALPHA collaboration at CERN reports first measurements of certain quantum effects in antimatter. （2020.02.22）.

[3] Frank Close, Antimatter, Oxford University Press, 2009.

[4] Hannes Alfven, Worlds-Antiworlds: Antimatter in cosmology, W. H. Freeman and Company, 1966.

圖來源：圖一，nature文章；圖二：cern news, 網址如下

https://home.cern/news/news/physics/alpha-collaboration-cern-reports-first-measurements-certain-quantum-effects

圖三：靳根明.原子核質量的精密測量[J].現代物理知識,2018,30(06):37-45.

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