[科普中国]-寻找另一个“我”——反物质研究

近日，来自欧洲核子中心（CERN）的阿尔法合作组（ALPHA collaboration）报道了氢原子的反物质对应物即反氢原子能级结构中的特定量子效应——精细结构（fine structure）和兰姆位移（Lamb shift）。这些量子效应存在于物质原子中，而尚未在反物质原子中发现。此类研究有助于揭示物质和反物质之间的区别。这一结果发表在最新的《自然》期刊上，测量显示反物质原子的特定量子效应与“普通”物质原子中的理论预言相一致，这为将来进一步精确测量反物质的特定量子效应和其他基本性质奠定了基础。

“发现正反物质之间的任何区别都可能动摇粒子物理标准模型的基础，这些新的实验测量是关于反物质相互作用的方面——比如说兰姆位移——对于这些结果我们已经期盼了很久。”阿尔法实验的发言人杰弗里·亨斯特（Jeffrey Hangst）表示。“我们下一步的计划是使用最先进的激光冷却技术来大规模地冷却反氢原子。这些技术的应用将会极大地促进反物质的研究并且能够以前所未有的精度来探测物质和反物质之间的区别。”

阿尔法合作组通过将欧洲核子中心的钠-22(22Na)放射源辐射出的正电子和反质子减速器AD（Antiproton Decelerator）输送的反质子结合制造出了反氢原子，并将这些获得的反氢原子通过磁笼约束在超高真空环境中，这样做是为了避免反氢原子与物质结合被湮灭掉。然后通过激光照射到反氢原子上获得激发光谱。这些技术让科研人员实现了对反氢原子的特定量子效应如精细结构和兰姆位移的测量。这些量子效应会导致原子特定能级的微小劈裂，这是首次在实验中研究反氢原子的特定量子效应。一个世纪以前，物理学家正是通过氢原子的精细结构，确定了基本带电粒子之间的电磁相互作用强度的常数——精细结构常数（fine structure constant）——约为1/137。1947年在氢原子中发现的兰姆位移，则是量子电动力学发展过程中的关键实验基础。量子电动力学描述的是物质和光之间的相互作用。1955年，威利斯·蓝姆（Willis Lamb）由于蓝姆位移的发现而获得诺贝尔物理学奖。近日去世的著名物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）也是量子电动力学的奠基人之一。

图一 阿尔法实验的核心装置示意图（Image: Nature article）

什么是反物质？——科学而非科幻

对许多人来说，反物质听起来科幻得都近乎玄幻，同时也是最危险的存在。在丹·布朗的悬疑惊悚小说《天使与魔鬼》中，“光照派”教徒从欧洲核子中心地下实验室偷取大量反物质制造出反物质湮灭弹埋藏在梵蒂冈，试图在教皇选举日一举毁灭天主教中心。这部小说后来改编为由汤姆·汉克斯主演的同名电影。对于中国读者来说，丹·布朗的另一部小说《达芬奇密码》则更为出名。小说和电影中既包含关于暗物质的科学真相，也包含科学幻想。那么，哪些是真相？哪些是幻想？

什么是反物质？物理学对反物质的定义：反物质是物质的对应物，二者物理性质相似，但是所有的量子数都反号，如电荷量。

让我们从最简单的电子说起。电子带有一个负电荷。那么，与电子对应的反物质“反电子”(antielectron)或者说“正电子”(positron)则带有一个正电荷。正电子和电子的质量一样，但是电荷却相反。

早在1928年，英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)将量子理论和狭义相对论结合，写出电子在高速运动下的薛定谔方程，被称为狄拉克方程，这一方程为狄拉克赢得了1933年的诺贝尔物理学奖。如同方程x2=4有两个根(x=2或者x=-2)一样，狄拉克方程也有两个可能的解，一个解表示电子拥有正能量，叫做正能解，另外一个解表示电子拥有负能量，叫做负能解。

但是经典物理学和常识告诉我们，一个粒子的能量总是正值，不可能是负值。狄拉克创造性地将负能解理解为反粒子的能量，他认为对于每一种粒子(particle)，都存在一个对应的反粒子(antiparticle)，这两种粒子性质相同，只有电荷是不同的。比如与电子对应的反粒子是正电子。这种解释为人类打开一个全新的“物质世界”——反物质世界。

在1932年，卡尔·安德森(Carl Anderson)在研究宇宙射线的时候发现了正电子，从而证实了狄拉克这一大胆的预测。这一发现启发人们：是不是每一种粒子都存在和它的性质相同却带有相反的电荷的反粒子(事实上，不带电的粒子也有反粒子，它的反粒子也不带电，比如光子的反粒子是它本身，但是K0介子的反粒子并不是它本身，而是`K0——现代粒子物理学中，介子一般由正反两个夸克构成，如K0介子，重子一般由三个夸克构成，如质子和中子)。

科学家开始通过各种方法去寻找反物质。根据宇宙射线中发现正电子的成功经验，他们试图在宇宙射线中寻找反质子，但并未发现。1954年美国加州伯克利开始运行高能质子同步稳相加速器Bevatron。次年，Bevatron合作组首次发现反质子，文章发表在该年11月1日的《物理快报评论》(Physical Review Letters, PRL)上，这是首次观测到带有负电荷的反质子。1956年，Bevatron合作组发现反中子。如今，欧洲核子中心(CERN)的物理学家们在实验中制造“大量”反物质用于研究。欧洲核子中心的反质子减速器AD(Antiproton Decelerator)就是一台将产生初期的高速反质子减速用于研究反质子或者反原子性质的仪器。

图二 欧洲核子中心反质子减速器大厅中的阿尔法实验(Image: CERN news)

如何获得反物质？——貌似简单实则不易

要获得反物质并不是一件容易的事情，但也并非不可能。

首先，你要理解爱因斯坦那个著名的质能方程E=mc2。这个方程告诉我们，质量和能量是等价的。可以通过一些手段，将质量转化为能量，也可以将能量转化为质量。相信大家对质量转换为能量的例子并不陌生——核裂变和核聚变——亏损的原子核质量转化为巨大能量并释放，这为我们人类永久解决能源问题带来曙光。

那么现在你要获得反物质，即“制造”一定质量的反粒子，理论上只需要将一定的能量转化为质量就可以。你要获得的反物质粒子质量越大，需要消耗的能量也就越大。但是，能量转化出来的并不只有反物质，还伴随有等量的物质产生。

制造越重的反粒子需要的能量就越大，比如质子的质量大概是电子质量的2000倍，那么制造反质子需要的能量也至少是正电子的2000倍。科学家通过高能加速器将粒子加速获得高能，高能粒子碰撞之后释放的能量会产生正反物质对。这就是我们所熟知的高能粒子加速器，比如北京正负电子对撞机BEPC、欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC、日本国家高能物理研究所的高亮度正负电子对撞机B工厂、美国斯坦福直线加速器SLC等。

如果你只是想获得轻的反物质，比如说正负电子对，高能光子就足够了。高能光子可以是一种特别的电离辐射——γ辐射。一些原子核衰变可以产生γ辐射。当然，还有的原子核衰变可以直接产生正电子，这是一种β辐射，大部分的β辐射产生的是电子，只有少部分直接产生正电子。我们生活中常见的一种水果中富含的某种元素衰变就可以产生正电子。这种水果就是香蕉！香蕉中富含钾元素K，缺钾的人可以多吃香蕉补充钾元素。天然的钾元素中大部分是39K，也包含少量39K的同位素40K。40K具有放射性，可以通过放射出一个电子变为钙40Ca，也可以放射出一个正电子变为氩40Ar。不过你尽管放心大胆地吃香蕉，不必担心辐射也不必担心正电子会把你湮灭掉，因为天然钾中放射性同位素40K的含量太低了，我们不能“耍流氓”——离开剂量讲毒性。

实际上，现在一种分辨率很高的医学影像设备叫正电子发射断层扫描仪(PET/CT)，已经较为广泛地用于医疗检测。PET/CT由PET和CT两部分组成，PET显像是将发射正电子的核素引入人体内，发射出来的正电子与体内的电子发生正反电子湮灭转换成高能光子射至体外成像，PET/CT最终分别给出PET的图像、CT的图像以及联合图像，这对于精确确定病灶和病灶的变化非常重要。

如果我们周围有反物质——不仅仅是香蕉产生的正电子，宇宙射线中也有正电子，别忘了发现的第一个反物质粒子就是宇宙射线中的正电子——那么一个麻烦的问题来了：那么它们哪里去了，为什么消失不见了？当然并不是凭空消失了，这是因为身处物质世界中，反物质粒子一旦产生并遇到对应的物质粒子，就会被湮灭掉，湮灭的正反物质对会放出高能的双光子。

反物质湮灭弹是真实的吗？——科学但并非合理

如果0.5克的反物质和0.5克的物质碰撞湮灭，会发生什么？我们只需用质能方程做个简单的乘法就知道了：E=mc2，其中质量m是正反物质的总质量1克，c是真空中的光速约为30万公里/秒，这样湮灭之后你会得到90,000,000,000,000(九十万亿)焦耳能量。食用一根普通香肠(约75克)为身体提供的热量是300大卡(千卡)，约为1,200,000焦耳。如果将0.5克反物质湮灭产生的能量换算为提供热量的香肠的数量，你需要约7200万根。那如果是换算成美国曾用于实战的“胖子”原子弹是多少呢？“胖子”爆炸产生的威力为20000吨TNT当量，1克TNT爆炸释放的能量是4181焦耳，那么很容易得到0.5克反物质湮灭释放的能量超过1000个“胖子”！所以，反物质湮灭弹的威力要远远超过核武器。这也就是为什么《天使与魔鬼》中的“光照派”要偷取欧洲核子中心实验室中的反物质制造反物质湮灭弹试图毁灭梵蒂冈的原因。不过对于“终极大杀器”反物质湮灭弹来来说，这真是太“大材小用”了！不过幸运的是，即使只有0.5克的反物质，从技术上来说要制造和保存也几乎是不可能的。

电影中没有告诉你的是，“光照派”是用什么容器盛放反物质的。这类似于一个经典疑难：一个科学家发明了能够溶解一切的药水，那这个药水要装在哪里？天然形成的反物质或者人工制造的反物质，一旦遇到物质粒子，就会被湮灭掉。这比能溶解掉一切的药水更加麻烦。我们要把反物质放在哪里呢？

想要储存一个反原子已经是很难的事情了。你不可能将反物质放入一个普通的盒子储存起来，因为它马上就会发生湮灭而消失。为了避免反物质和物质直接接触，必须要放入真空环境中，而真空又需要密闭，密闭的容器必然是物质做成的，你还需要避免反物质运动与容器壁碰撞接触。这个时候，你需要强的电磁场将反物质约束在一定空间内。科学家使用一种叫潘宁阱(Penning Trap)的电磁约束装置。

图三 一种潘宁阱结构及离子在阱中的运动轨迹示意图(Image: CNKI)

因此，最大的困难是如何储存制造出来的反物质。产生普通的反物质粒子并不十分困难(当然是对当今科学来说)。你只需要特殊的放射源就可以产生正电子，如钾-40或者钠-22。产生反质子就需要高能粒子加速器。因为反质子是在高能粒子加速器里面产生的，所以会做高速运动。这个时候你需要将反质子降速，用到的仪器是反质子减速器，高速正电子也需要降速。反质子和正电子都降速之后，让二者相互接近，则会有一定的几率产生反原子，这样制造出来的是最简单的反原子——反氢原子。经过前面的步骤，你就可以储存并分析反原子的行为了。注意，上述所有过程都需要在真空电磁约束环境下进行！

你现在应该知道，《天使与魔鬼》中的大反派偷取欧洲核子中心的反物质还做成湮灭弹运到梵蒂冈，是多么“玄幻”的任务啊！

为什么研究反物质世界？——细思极恐的科学

制造和贮存反物质如此困难，那为什么我们还要研究反物质、甚至是反物质世界呢？

反物质只是和普通物质性质相同，电荷相反。这只是物理学家的假设。反原子发出的光和物质原子发出的光是一样的吗？反物质物体也会在重力作用下做落体运动吗？根据反物质对应的物质的性质，我们假设是这样的，但其实我们并不知道。我们得到的反物质太少了，储存又如此艰难！

随着科学的进步，已经有很多针对反物质性质探测的实验——验证反物质原子的能级结构、精细结构、兰姆位移等就是这样的实验——物理学家们开始逐步揭开反物质的神秘面纱。事实上，反物质远不止这么简单。围绕着反物质还有许许多多的问题，其中最基本的问题就是反物质哪里去了？为什么我们的世界是物质的而不是反物质的？这涉及到我们现在宇宙存在的合理性。

根据大爆炸理论，宇宙产生初期，高能能量基团产生出等量的物质和反物质，产生的正反物质对又会湮灭。这一过程伴随着宇宙的膨胀循环往复。在膨胀过程中，宇宙慢慢冷却下来。正反物质对产生过程终止，现存的正反物质应该是等量的。

然而事实并非如此。我们的宇宙几乎只由物质构成，如果有大量反物质存在，就会不断有湮灭过程产生，即使距离我们很远，依照人类现在的观测手段来讲，也是能够观测到的。但是我们并没有看到。我们的物质世界主要是由粒子而不是反粒子构成，这就是著名的正反物质不对称性谜题或者叫电荷-宇称不守恒(CP破缺)。

1956年，华裔美籍物理学家杨振宁(Chen Ning Yang)(现为中国籍清华大学教授)和李政道(Lee Tsung-Dao)发现了弱相互作用下宇称不守恒。同年，华裔美籍女物理学家吴健雄(Wu Chie-Shiung)用钴-60的弱衰变证明了杨-李的理论。次年，杨、李二人即获得诺贝尔物理学奖。正是由于正反物质不对称，才造成我们今天的宇宙主要由物质而不是反物质构成，即使这种对称性破缺程度只有百万分之一，当今宇宙的存在就是合理的。

粒子物理的标准模型告诉我们，任何一种物质基本粒子都存在对应的反粒子，当然有的粒子的反粒子就是它本身，比如光子，夸克对应的反粒子是反夸克，根据夸克模型，欧洲核子中心制造出的反质子是由两个反上夸克和一个反下夸克构成的，即p(uud)，而质子是由两个上夸克和一个下夸克构成的，即p(uud)。

那么，我们又如何区分正反物质的，比如电子和正电子呢？物理学家使用磁场就可以做到。带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用而改变运动状态，这样就可以将正电子和电子区别开来。当然你还需要从质量以及其他量子数的检测来确定它就是电子的对应伙伴——正电子，而不是其他带正电的粒子。

也许有人会问，怎么知道世界是物质的而不是反物质的呢？这是因为我们先发现的物质，“物质”和“反物质”只是两个名称而已。如果在另一个宇宙中，科学家为宇宙的组成命名为“反物质”，那么它们就是一个“反物质”世界。说不定，有一个“镜中”的世界，存在于我们的平行时空里，那里也有一个你的对应者！

参考文献：

[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.

[5] 靳根明.原子核质量的精密测量[J].现代物理知识,2018,30(06):37-45.

图来源：图一，nature文章；图二：cern news, 网址如下

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

图三：靳根明.原子核质量的精密测量[J].现代物理知识,2018,30(06):37-45.