[科普中国]-反物质

主要概念

正电子、负质子都是反粒子，它们跟通常所说的电子、质子相比较，电量相等但电性相反。科学家设想在宇宙中可能存在完全由反粒子构成的物质，也就是反物质。

电子和反电子的质量相同，但有相反的电荷。质子与反质子也是这样。那么中子与反中子的性质有什么差别？其实粒子实验已证实，粒子与反粒子不仅电荷相反，其他一切可以相反的性质也都相反。这里我们讨论一下重子数的概念。

质子与中子被统称为核子。人们从核现象的研究发现，质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但在转化前后，系统的总核子数是不变的。例如：在发生β衰变时，放出正电子的称为“正β衰变”，放出电子的称为“负β衰变”。在正β衰变中，核内的一个质子转变成中子，同时释放一个正电子和一个中微子；在负β衰变中，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子和一个反中微子。此外电子俘获也是β衰变的一种，称为电子俘获β衰变。

50年代起的粒子实验表明，还有很多种比核子重的粒子，它们与核子也属同一类，这类粒子于是被改称为重子，核子仅是其最轻的代表，一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化，系统中的重子个数是不会改变的。

由于重子数的守恒性，两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，那么反核子应当怎么产生？实验表明，反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的。例如 p+p → N+N+N+N'+若干 π介子，其中N代表质子或中子，N'代表反质子或反中子。反核子一旦产生，它常很快与周围的某个核子再相碰而成对地湮灭。例如

N+N' → 若干 π介子。按照这种说法推论，在宇宙的某个地方，一定存在着反物质世界。如果反物质世界真的存在的话，那么，它只有不与物质会合才能存在。可物质与反物质怎样才能不会合？反物质在宇宙何方？这还是待解之迷。

对于比核子更重的重子，情况完全一样。反重子也总是与重子成对地产生，成对地湮灭的。这些经验使人们认识到，重子数的守恒规律需要重新认识。人们把重子数B当作描述粒子性质的一种电荷。正反重子不仅有相反的电荷，而且也有相反的重子数B。令任一个重子都具有重子数B=+1，则任一个反重子都具有B=-1。介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数，即它们有B=0。重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B。这表述既反映了不涉及反粒子时的重子个数不变，也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭。我们容易理解中子和反中子的区别了，它们具有相反的重子数B，因此反中子能与核子相碰导致湮灭，而中子则不能。

此外，人们还类似地发现了轻子数的守恒性。中微子虽不带电，也不具有重子数，但它与反中微子具有相反的轻子数。按轻子数的守恒性，中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的，实验还表明，介子数和规范粒子数是不具有守恒性的。这样我们看到，电荷只是粒子的一种属性，另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性。正反粒子的这些属性也都是相反的。1928年，英国青年物理学家狄拉克从理论上首次论证了正电子的存在。这种正电子除了电性和电子相反外，一切性质和电子相同。1932年，美国物理学家安德逊在实验室中发现了狄拉克所预言的正电子。1955年，美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子。此后人们逐渐认识到，不仅质子和电子，所有的微观粒子都有各自的反粒子。

这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界。然而问题并不那么简单。首先，在地球上很难发现反物质。因为粒子与反粒子碰到一起，就像冰块遇上火球一样，或者一起消失，或者转变为其他粒子。所以在地球上，反物质一旦碰上其它物质就会被兼并掉。其次，制造反物质相当困难而且耗费巨大，需要如SSC或LHC之类的高科技仪器，并且即使制造出反物质，也难以保存，因为地球上万物都由物质构成。

我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此，这样的物质被称为正物质，由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反粒子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而却几乎没有反物质呢？这正是我们要讨论的问题。

反物质就是正常物质的镜像，正常原子由带正电荷的原子核构成，核外则是带负电荷的电子。但是，反物质的构成却完全相反，它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。从根本上说，反物质就是物质的一种倒转的表现形式。爱因斯坦曾经根据相对论预言过反物质的存在：“对于一个质量为m，所带电荷为e的物质，一定存在一个质量为m，所带电荷为-e的物质（即反物质）”。按照物理学家假想，宇宙诞生之初曾经产生等量的物质与反物质，而两者一旦接触便会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。然而，出于某种原因，当今世界主要由物质构成，反物质似乎压根不存在于自然界。正反物质的不对称疑难，是物理学界所面临的一大挑战。1

主要特点在多数理论家看来，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1MeV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。2

研究历史与自然发现自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源，它们都是由质子、中子和电子所构成的。这些粒子因而被称为基本粒子，意指它们是构造世上万物的基本砖块，事实上基本粒子世界并没有这么简单。在30年代初，就有人发现了带正电的电子（电子（Electron）是一种带有负电的亚原子粒子），这是人们认识反物质的第一步。到了50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。

反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。能量释放率要远高于氢弹爆炸。 在丹·布朗的小说《天使与魔鬼》里，恐怖分子企图从欧洲核子中心盗取0.25克反物质，进而欲炸毁整座梵蒂冈城（最后于高空爆炸）。

但至于网上流传的五千万分之一克摧毁大型设施，以及几克反物质摧毁地球纯属谣言，只是网络新闻为了增加关注度而编造出来的假消息。五千万分之一克反物质与正物质湮灭在物理学中能够释放3.6×106焦耳的能量，但不可能摧毁大型设施。而1克反物质（按1克反物质与1克正物质湮灭计算）湮灭释放出1.8×1014焦耳的能量，不可能毁灭地球。其遵守爱因斯坦的质能关系式E=mc2。其中E为湮灭产生能量，m为参与的正物质和反物质湮灭前总静止质量，c为光速≈3x108米/秒。

反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在1928年预言，每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反（A）。 且反电子的自旋量子数是-1/2而不是正1/2。

欧洲航天局的伽马射线天文观测台，证实了宇宙间反物质的存在。他们对宇宙中央的一个区域进行了认真的观测分析。发现这个区域聚集着大量的反物质。此外，伽马射线天文观测台还证明，这些反物质来源很多，它不是聚集在某个确定的点周围，而是广布于宇宙空间。

寻找过程1995年欧洲核子研究中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质——反氢原子。1996年，美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子。

1997年4月，美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现，在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的“反物质喷泉”。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。

1998年6月2日，美国发现号航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空。阿尔法磁谱仪是专门设计用来寻找宇宙中的反物质的仪器。然而这次飞行并没有发现反物质，但采集了大量富有价值的数据。

2000年9月18日，欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子，这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。

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。阿尔法磁谱仪于2011年升空，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。

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，中国和意大利科学家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。

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。

发现历程欧洲原子研究中心的科学家们在欧洲当地时间的2010年11月17日表示，通过大型强子对撞机，他们已经俘获了少量的“反物质”。当然，这些“反物质”只是少量的反氢原子而已，但这一发现也是引发了科学家极大的反响。

位于日内瓦的欧洲核子研究中心一直以来也在为破解这一难题而不懈的努力。欧洲核子研究中心拥有世界上能量最高的粒子对撞机——大型强子对撞机，这一对撞机的使命就是探究宇宙的起源，寻找那些未经证实的可能存在的物理现象。

在17日研究人员宣布，在经过了不懈的努力之后，大型强子对撞机终于发现了几十个氢原子的‘反物质’。罗布汤普森教授表示：“尽管发现的只是反物质的冰山一角，但这毫不影响这一发现的重要性，这是一次重大的突破，有利于我们更好的了解宇宙的性质和起源”。

罗布汤普森教授说的没错，反物质的发现将会引领人类的变革，使得人类的星际旅行之梦将成为现实。此前在大量的科幻小说中，用于星际旅行的飞船都是以反物质作为燃料的。举个最简单的例子，如果想把人类送上火星，那需要千万吨以上的化学原料，而如果是以反物质为燃料的话，仅需要几十毫克，同时时间也大为缩短，只需要6周的时间就可以到达。

这项新的研究将会发表在《自然》杂志上，同时还包括了欧洲核子研究中心专家在此过程中所起到的举足轻重的作用，以及探讨究竟这些科学发现者扮演者天使还是魔鬼的角色。来自英国的斯旺西大学的查尔顿教授最后对于这一发现做了自己的论述：“现在的宇宙基本是由普通物质所垄断，但我们必须要了解宇宙的全貌，否则我们可能身处危险之中却全然不知，氢是宇宙中最重要的元素，发现它的反物质，具有非凡的意义。”

英国《自然》杂志网站17日刊登研究报告说，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家成功制造出多个反氢原子，并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功“抓住”反物质原子。

氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”——约0．17秒。

这个时间听起来似乎仍然很短，但对于科学家来说，这个时间长度已十分难得，可以对反氢原子进行较为深入的观测和分析。因此，这一成果被看作是物理学领域的一大突破，将大大推动有关反物质的研究。

大型强子对撞机要对撞1千年才能够对撞出一微克反物质。要得到足够多的反物质，必须开发数个星球。建造围绕整个星球的巨型粒子加速器。

反物质是一种人类陌生的物质形式，在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的。反物质和物质是相对立的，会如同粒子与反粒子结合一般，导致两者湮灭并释放出高能光子或伽玛射线。1932年由美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。到目前为止，已经发现了300多种基本粒子，这些基本粒子都是正反成对存在的，也就是说，任何粒子都可能存在着反粒子，2010年11月17日，欧洲研究人员在科学史上首次成功“抓住”微量反物质。2011年5月初，中国科学技术大学与美国科学家合作制造了迄今最重反物质粒子——反氦4。2011年6月5日欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过15分钟。同时在自然界也有‘反物质’的能动能效--反应为反物质凝聚。上海光机所利用飞秒拍瓦激光装置和高压气体靶相互作用产生大量高能电子，高能电子和高Z材料靶相互作用，由韧制辐射机制产生高强度伽马射线，伽马射线再和高Z原子核作用产生正负电子对。正电子谱仪经过精心设计，成功解决了伽马射线带来的噪声问题，利用正负电子在磁场中的不同偏转特性，实验中在单发条件下就成功观测到了正电子。这是我国首次报道利用激光产生反物质。

是否存在反物质部分天文学家也认为有存在的可能，但现代天文学还拿不出令人信服的证据。否定反物质的人很多，美国宇宙学家施拉姆（Schramm）说：“大多数理论家的直觉，不存在反物质。这意味着如果你找到它，那是一个伟大的发现，证明这些理论家都是错误的。但是最大的可能是，这意味着你找不到它。”

由丁肇中主持的这项研究已有16个国家的科学家参与其中，投入的资金更是高达1000多亿美元。许多科学家表示：只要能发现宇宙反物质的存在，那么这将是当之无愧的诺贝尔奖。该探测器已于2005年发射升空并永久停留在太空，东南大学还将建立一个数据接收分析中心和培训中心作为配套项目。丁肇中认为，如果反物质确实存在，当正物质与反物质碰撞时可以产生巨大的能量。他所主持的“寻找宇宙中的暗物质和反物质”的研究已进行多年，已取得一些重要成果。“但是，从这一领域发展的历史来看，人们要有思想准备，也许我们会发现意想不到的东西，与原先想研究的东西毫无关系。”丁肇中很慎重地表示。

首次捕捉到自然界的反物质2010年11月17日，有媒体说，人类首次捕获到反物质 ，500克能量可超过氢弹。 欧洲科学家成功制造出多个反氢原子，并使其存在了0.17秒，这是物理学界的突破性发现，也是人类首次捕获到反物质。500克反物质的破坏力可以超过世界上最大的氢弹。

反物质至今都是物理学领域的一大谜团。我们周围环境中的物质是正物质，它由原子组成，原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反，由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质。反物质只要和正物质相遇就会湮灭，因此虽然现行理论认为宇宙从大爆炸中诞生时产生了等量的正物质和反物质，但我们很难在宇宙中找到反物质。寻找和研究反物质因此也成为物理学领域的热点和难点。

反物质，正常物质的反状态，极不稳定而几乎不存在于自然界。研究人员在实验室里制成反物质，但这些反物质一接触容器壁便瞬息湮灭。抓不住，便无从加以深入研究。

英国《自然》杂志网站17日发布报告，欧洲研究人员在科学史上首次成功“抓住”微量反物质。

首次“抓住” 巧设“磁瓶”克服湮灭研究人员2002年在真空环境里造出反氢原子，但造出后不到片刻便已湮灭。如今，欧洲核子研究中心研究员首次成功“抓住”这种反物质。

鉴于反物质接触容器壁后便即消失，研究人员利用特殊磁场对反物质加以捕获。

谈及这种看不见、摸不着的捕捉方式，丹麦奥胡斯大学教授杰夫·杭斯特告诉英国广播公司（BBC）记者，反氢原子具有“少许磁性”，“你可以把它们想象成罗盘指针，能够利用磁场探知它们的存在。我们制成一只强有力的‘磁瓶’，在里面造出反物质”。

另外，反氢原子运动速度不能太快，否则便难以捕获。杭斯特所在研究团队花费5年时间，设法让反氢原子温度降至0.5开氏度，相当于零下272.65摄氏度、即接近绝对零度，使反氢原子处于低能量状态。

“如果它们运动得不至于太快，那么就算被‘抓住’了。”杭斯特说。

理论测算 500克反物质超过氢弹丹·布朗在畅销书《天使与魔鬼》中把反物质描述成人类目前所知威力最大的能量源。它能以百分之百的效率释放能量，不造成污染，不产生辐射，一小“滴”便可维持美国纽约全天所需能量。

从理论上说，不到500克反物质的破坏力超过世界上最大氢弹的威力。

不过，研究人员首次捕获的成果为38个反氢原子，持续时间为五分之一秒。这等数量的反物质不足以让一只100瓦灯泡发光二十亿分之一秒，更别提用作剧烈炸药。

杭斯特教授解释道，研究人员掌握捕获反物质技术后，今后可在具体操作程序层面加以“微调”，便有望制成数量足够多、保存时间足够长的反物质，为进一步研究打开一扇门。

前景展望 有助破解宇宙起源之谜爱因斯坦预言过反物质的存在。发生爆炸并产生巨大能量。

反物质的发现，使人们联想上世纪许多不解之谜，其中最为著名的莫过于“通古斯大爆炸”。1908年6月30日凌晨，俄罗斯西伯利亚通古斯地区遭遇从天而降的“火球”，大片原始森林顷刻化为灰烬。至于爆炸起因，一些人推断是小行星撞击，一些人猜想是反物质所致“湮灭”。

深入研究反物质，是解开宇宙起源之谜的重要环节。

“我们希望查明，物质与反物质之间是否存在某些我们尚不知道的区别，”杭斯特说，“这种区别或许存在于更基本层面，或许牵连宇宙起源时某些高能量活动。”

“这就是为什么能够‘抓住’它们（反物质）是这般重要，因为我们需要时间研究它们。”

。反物质研究在高能物理、宇宙演化等方面具有重要意义，同时也具有重要应用，比如正电子断层扫描成像（PET）在癌症诊断等方面已广泛应用。

动态发展神秘“反物质”或许将成为人类的“末日武器”。通过大型强子对撞机，他们已经俘获了少量的“反物质”，尽管只是少量的反氢原子而已，但已被科学界视为人类研究反物质过程中的一次重大突破。

存在时间是关键

实际上，早在1995年，欧洲核子研究中心就首次制造出了9个反氢原子。但反氢原子只要与周围环境中的正氢原子相遇就会湮灭，因此实验室中造出来的反氢原子稍纵即逝，科学家们根本无从研究它的真面目。2002年，欧洲核子研究中心的实验进一步表明，反氢原子可以大量制造，但如何让它们存在时间长一点仍是难题。

因此，这次实验成果的突破就在于，人工制造的38个反氢原子存在了大约0．17秒。这个时间在普通人看来也许非常短，但对科学家来说，已比先前有了实质性的延长，足够他们进行较为深入的观察和研究。

利用磁场作“陷阱”

欧洲核子研究中心介绍说，这次之所以能够将反氢原子捕获长达0．17秒，要归功于一种特殊的磁场。 在实验室中，反氢原子是在真空环境里制造出来的，正常情况下瞬间就会与正物质发生湮灭并消失。而这个强大而复杂的磁场会像陷阱一样“拖延时间”，使反氢原子与正物质的接触稍作延缓。实验显示，利用这种磁场，可以将“牵制”反氢原子的时间延长到十分之一秒的量级，这对于观察研究反氢原子来说已经“足够长”。

最终，欧洲核子研究中心在制造出的数以千计的反氢原子中，成功地使其中的38个存在了大约0．17秒。

科学家称，研究反物质，之所以选择氢原子入手，是因为氢原子只包含一个质子和一个电子，是最简单的原子，因此被看做是物理学领域最佳的研究对象。

反物质研究的重要一步

尽管这只是在实验室中制造并短暂捕捉到反物质原子，但科学界仍然欢欣鼓舞，认为这是物理学领域的一次突破，距离反物质的“真相”又“近了一步”。

刊登这一研究成果的英国《自然》杂志称，成功“捕捉”反氢原子后，通过比较反物质和正物质，科学家们就可以测试粒子物理学“标准模型”中最核心的基本对称理论。欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍伊尔在17日发布的一份新闻公报中说，“这是反物质研究领域的重要的一步。”

“抓住”反物质达千秒

欧洲核子研究中心的科研人员在2011年6月5日在英国《自然·物理》杂志上报告说，他们成功地将反氢原子“抓住”长达一千秒的时间，也就是超过16分钟，这有利于对反物质性质进行精确研究。反氢原子是普通氢原子对应的反物质形态。反物质与普通物质相遇就会湮灭，此前制造出的反氢原子往往只能存在几微秒的时间。2010年11月，欧洲核子研究中心利用反氢原子微弱的磁性，首次成功地用“磁场陷阱”束缚住了反氢原子，时间达172毫秒。 5日发表的新研究在束缚时间上取得了巨大突破。科学家在论文中说，他们在这一轮研究中，先后用磁场陷阱抓住了112个反氢原子，时间从1/5秒到一千秒不等。分析还显示，这次抓住的反氢原子大多数处于基态，也就是能量最低、最稳定的状态。这有可能是人类迄今首次制造出的基态反物质原子。如果能让反物质原子在基态存在10分钟到30分钟，就可以满足大多数实验的需要。

在这一轮研究中，科学家单次最多一次抓住了3个反氢原子。他们希望能将更多的反氢原子束缚较长时间，使测量数据在统计上更加精确。反物质是由反粒子组成的物质，反粒子的质量等特性与组成普通物质的粒子相同，但电荷等特性相反。氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成。

反物质至今都是物理学领域的一大谜团。现有理论认为，在宇宙诞生的大爆炸中产生了数量相等的物质和反物质。但在人们观察到的宇宙中，物质占绝对主导地位。研究反物质原子的特性、比较它们与普通原子在物理规律上是否对等，可能有助于解开上述疑点。

反氦4由多位中国科学家参加的美国布鲁克海文国家实验室RHIC-STAR国际合作组探测到氦核的反物质粒子——反氦核。这种新型粒子又名反阿尔法粒子（α粒子），是迄今为止所能探测到的最重的反物质原子核。STAR国际合作组的该研究成果在线发表在《自然》（Nature）杂志。

位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸，产生类似于早期宇宙的物质形态。这种剧烈的碰撞产生大约等量的夸克和反夸克物质，其中一部分稳定的反物质可以在与正物质湮灭之前在STAR探测器中留下清晰的信号。3

STAR合作组是由来自12个国家的54家科研单位组成，其中STAR中国合作组成员包括中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、清华大学、华中师范大学、山东大学等。由中国国家自然科学基金委、科技部、中国科学院与美国能源部共同出资研制，并于2009年安装在STAR探测器上的“大型飞行时间探测装置”（TOF），在反物质氦4的鉴别过程中发挥了关键作用。中美TOF合作项目联系人美国加州大学洛杉矶分校黄焕中教授说：“寻找反物质氦4和其他奇异物质是TOF项目立项的物理目标之一。我们不仅出色完成了硬件装置，而且此发现为实现TOF的物理目标开启了一个很好的开端。”

上海应用物理所研究员、STAR中国合作组召集人马余刚说，中国科学家队伍在这个重要的科学发现中作出了杰出的贡献。一方面，该发现依赖于中国合作组研制的性能优异的大型飞行时间探测器；另一方面，该发现得益于布鲁克海文国家实验室的物理学家唐爱洪（文章投稿作者）带领的团队利用“高阶触发”技术，使得我们能够在海量的实验数据中实时挑选出含有反物质氦4的碰撞事例。在利用这个技术寻找反氦4的过程中，上海应用物理所博士生薛亮和近代物理所博士生仇浩等作出了突出的贡献。4

国家自然科学基金委副主任沈文庆院士评价说，在人类寻找反物质的艰辛历程中，老一辈的中国科学家在这个领域作出了许多杰出的工作，包括已故科学家赵忠尧院士在1930年观测到了由狄拉克预言的反电子迹象和王淦昌院士领导的研究小组在1960年发现了反西格马负超子等。这次STAR合作组的反氦4重要发现是继发现反物质超氚核后的又一具有重要里程碑意义的突破性进展，而在这两个重要的科学发现中我国的核物理学家队伍都起到了极为关键的作用，突显了基于大科学基础研究的国际合作的重要性。5

时空扭曲效应据国外媒体报道，英国华威大学的物理学家从星系旋转的角度入手，建立了一个涵盖整个星系时空模型，旨在解释粒子物理学中的一个突出的难题：为什么在宇宙诞生之初，物质和反物质可以共同存在于宇宙空间中。这个问题犹如一扇通往宇宙终极奥秘的大门，门的背后或许就隐藏着“上帝的秘密”。物理学家们设想了一个“纯洁”的宇宙：这个构想出来的宇宙中，所有的物理定律在宇宙中任何一个地方都能适用，具有极强的普适性。宇宙中粒子和反粒子的行为也同样按照相同的方式进行运动。

然而，近些年的粒子物理实验中发现，在物质和反物质的衰变中，K介子和B介子表现出显著的差异性。这就是被称为“电荷宇称不守恒”的一个证据，这个证据的发现对粒子物理学家而言，应该是个有些“尴尬”的现象，因为在弱相互作用下宇称不守恒的观点被提出后，物理学家由此推理出“电荷宇称守恒“（CP守恒）的观点，但是这个观点不能解释我们宇宙中物质为什么会存在的问题。也就是说，理论上宇宙诞生后产生的是相同的物质和反物质，我们也知道物质和反物质相遇会湮灭，如果按此推演，就不会有当前宇宙中的一切了。

英国华威大学物理学系的Mark Hadley博士相信其找到了一种可经得起检验的关于电荷宇称不守恒的证据，该证据不仅能保持宇称的奇偶性，而且还能使得电荷宇称不守恒的理论可以合理地解释在宇宙诞生之后物质与反物质之间的问题。

Hadley博士的论文已经发表在EPL（欧洲物理学快报）上，主要介绍了对于CP破坏（CP对称被破坏了）的一种源头，这个源头与克尔度量的不对称有关。其同时也认为：研究人员忽视了一个重要的效应，即我们星系的旋转对亚原子粒子的衰减会产生重大影响。

根据粒子物理学的观点，我们的宇宙在根本意义上就是不对称的，而且在弱相互作用中，有一个明显的左和右的不对称性，也有一个更小的CP对称破坏存在于K介子系统中。以上观点已经被体现在现有的粒子物理实验中，但是没有任何的解释。其中的一个可能的原因就是：我们银河系的自转的效应造成了我们时空的扭曲，这种扭曲程度足以影响到对实验结果的评定。而如果时空扭曲足以影响实验结果，那么可不可以在一定程度上认为我们的宇宙从根本上说是对称的呢。对于这个较为“奇异”的预测，欧洲核子研究中心已经在收集相关的数据，以证明星系的自转对结果的影响有多少。

对于星系自转所产生的效应，这是一个较为容易被忽视的问题。因为我们一直以来都是处于地球和太阳的引力场中，这是最直接的感受，对于整个银河系在某个方面对我们人类造成的影响还不是那么显著。而Hadley博士则认为整个星系产生的引力场将使得星系内部的时空产生扭曲，这种扭曲自然也包括太阳系在内，而这个时空扭曲效应的影响将是不容忽视的。如此巨大质量的星系自转所具有的速度和角动量拖拽着星系内部的时空，造成时空的形状的变形以及时间的膨胀效应。

而整个星系的旋转对我们地球周围的时空所产生的效应比地球本身的自转要强100万倍。当CP破坏在B介子衰变中被观察到时，这是一个较为关键的现象，其有助于解释在相同粒子物质与反物质的分裂基于不同的衰变率。但是，奇怪的是：即使研究人员观察到衰变中出现的较大的差异，但把这些各个衰变率进行相加时，研究人员又能得到一个与在相同粒子中物质与反物质分裂条件下相同的值。

据Hadley博士介绍：我们银河系的自转对时空的“拖拽”效应理论可以解释关于观测的一切问题。在相同粒子物质与反物质分裂中，他们不仅可以在镜像上对称，在其他的结构上也将保持对称。对于那些粒子衰变而言，这个观点并不是完全不合理的，这个衰变的机制可能开始于“镜像”时刻，然而，银河系的自转所产生的“拖拽”效应是显著的，造成的时空扭曲足以引起每个粒子结构的不同，使其经历不同的时间膨胀效应，而这正是衰变以不同方式进行的原因。

这就是说，在每个粒子进行衰变时，时空扭曲所造成的不同时间膨胀所带来的整体效应必须被考虑，CP破坏的消失和对称守恒也应该与此相关。这个理论的另一个亮点是其能被得到检验，其所预测的现象也能进行相关的测试。在欧洲核子研究中心，已经收集到了大规模的数据阵列，显示出在衰变的过程中，CP破坏是存在的，同时还能检验出星系的自转所产生的“拖拽”效应对其的影响。

粒子物理学家正在考证类似银河系这样巨大的星系对实验中所观察到CP破坏有着多大的影响。同时，其也为那些理论家们提供打开了一扇大门：将CP破坏作为一个非常有用的工具以解释在我们的宇宙诞生之初物质与反物质是如何进行分离的，如何形成我们所看到的物质宇宙。而事实上，由银河系旋转所产生的时空拖拽和时间膨胀效应对粒子实验的影响将是不容忽视的。而在极早期的宇宙中，可能存在足够的质量和旋转以产生时空拖拽，这个效应对物质与反物质的分布将产生显著的影响。

反物质的来源第一种来源在我们头顶之上的大气外层。在来自星际空间、充满电荷的宇宙线的轰击下，那里不断产生正电子。第二种来源则隐藏于放射性物质的原子中。某些不稳定的原子核拥有多余的质子，如钠22、溴35或碘122，实际上它们最终将衰变并释放出一个中微子、一个光子和一个正电子。第三种则是由雷暴制造。首先风暴云极化，然后雷电使云层突然去极化，大气中的电子突然发生喷射，接着产生伽马射线，最后伽马射线撞击大气中其它原子核，产生电子与反电子。6

人体也会释放反物质除了我们常见的物质外，宇宙中还存在着反物质。自1928年英国物理学家保罗·狄拉克预言反物质存在以来，反物质一直是科学家眼中的“香饽饽”。科学家们认为，反物质研究在高能物理、宇宙演化等方面具有重要意义，深入研究反物质，是解开宇宙起源之谜的重要环节。

反物质也是很多科幻小说中的“标配”。比如，在电影《达芬奇密码》的姊妹篇《天使与魔鬼》中，仅仅含有0.25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去；而电影《星际迷航》中的“企业号”飞船则使用由物质—反物质湮灭产生的强大推力来获得超光速飞行速度。

在粒子物理学中，反物质是一种由反粒子组成的特殊物质。反粒子与粒子有着相同的质量却有着相反的电荷和自旋。这些反粒子结合在一起构成反物质。比如，正电子（电子的反物质）和一个反质子可以构成一个反氢原子。

除此之外，反物质还有很多令我们惊叹的特征，美国费米国家实验室和斯坦福直线加速器中心（SLAC）联合创办的《对称》杂志网站，列出了我们可能不知道的关于反物质的十件事。7

正反物质不对称1928年，狄拉克预言了电子的反粒子——正电子的存在。

1932年，美国科学家卡尔·安德森在研究一种来自遥远太空的宇宙射线过程中，意外地发现了正电子，证实了狄拉克的预言，引起了科学界的震惊和轰动。它是偶然的还是具有普遍性？如果具有普遍性，那么其他粒子是不是都具有反粒子？于是，科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找目标。

1936年，安德森因发现正电子而获得该年度的诺贝尔物理奖。后来其他基本粒子的反粒子也陆续被发现。1955年，美国研究人员制造出了第一个反质子，即电荷为负的质子。

当今我们的宇宙中存在着大量正粒子组成的物质，然而却没有发现由反粒子组成的稳定存在的反物质，这说明宇宙中正反物质之间并不是严格对称的，否则所有的物质都将湮灭。

宇宙起源的标准理论认为，物质与反物质在大爆炸之初是成对或等量产生的。当物质和反物质相遇时，会彼此湮灭，只留下能量。因此，从理论上来说，我们应该都不存在，但事实并非如此，现今所遗留下来的绝大多数是正粒子，这即所谓的“正反物质对称性破坏（对称破缺）”，虽然在几个粒子对撞试验中，都发现了正粒子与反粒子的衰变略有不同，但在数量上仍不足以解释为何现今反物质消失的问题，这在粒子物理学上仍是一大未解之谜，科学家们也对此提出了很多解释。

物理学家们目前正在殚精竭虑地进行研究，希望能够最终厘清这种不对称，或许答案揭晓的那一天，也将开启新的天文学时代序幕。

反物质比想象的离你更近少量反物质持续不断地以宇宙射线和高能粒子的形式，天女散花般地降落在地球上。这些反物质粒子到达大气层的范围1到100个/平方米。

但其他反物质来源其实就近在咫尺。比如，香蕉也会产生反物质——它每75分钟会释放出一个正电子。之所以会出现这一现象，是因为香蕉包含有少量的钾-40。钾-40是钾的天然同位素，会在衰变过程中释放正电子。

人体也包含有钾-40，这意味着人体也会释放正电子。由于反物质一旦同物质接触，就会彼此湮灭，因此，这些反物质粒子非常短命。8

身价昂贵但难以企及尽管物质—反物质湮灭有潜力释放出大量能量，1克反物质或能产生相当于核爆的爆炸规模，但人类目前制造出的反物质少得可怜。

1995年，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质——反氢原子；1996年，费米国家加速器实验室成功制造出7个反氢原子。2000年9月18日，CERN成功制造出约5万个低能状态的反氢原子，这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。2011年5月初，中国科学技术大学与美国科学家合作制造了迄今最重反物质粒子——反氦4。

不过，迄今为止，费米实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron）制造出的所有反质子加在一起只有15纳克（十亿分之一克）；而CERN制造的所有反质子加起来仅为1纳克；德国的电子同步加速器（DESY）制造的正电子加起来大约2纳克。即便所有这些反物质一次全部湮灭，它们产生的能量还不足以烧开一杯水。

根本的问题在于制造和存储反物质的效率以及成本，由于目前反物质是由加速器产生的高能粒子打击固定靶产生反粒子，再经减速合成的，此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量，且生成反物质的速率极低：仅仅制造1克反物质就需要大约25×1015千瓦时的能量。因此，从生产成本考虑，反物质是世界上最贵的物质。

用“阱”来保存反物质反物质还难以捕捉和存储。因为反物质只要遇到正物质立刻就会湮灭爆炸，所以我们无法使用任何由正物质制造的容器来存放它，必须为它们建造特殊的“家园”。

带电的反物质粒子，比如正电子和反质子能被保存在彭宁离子阱（Penning traps）内。这些设备可以被看成是小型加速器，依靠磁场和电场让粒子不与阱壁碰撞，使其呈螺旋形运动。据悉，目前，美国国家航空航天局（NASA）和宾夕法尼亚州立大学的科学家们已经能用彭宁离子阱存放1010个反质子一个星期。但彭宁离子阱对反氢原子等并不起作用，因为，反氢原子不带电，无法被电场“锁住”。相反，它们被保存在俗称的“亚普阱”内。

其实，地球的磁场也类似某类反物质阱。2011年，意大利一个科学团队利用一座宇宙射线探测器成功在范艾伦辐射带发现了反质子带，存在区域距离地球表面350至600公里，这一研究证实了地球磁场能“捕获”反质子的理论。

反物质可能向上飞爱因斯坦的广义相对论告诉我们，重力对任何物质都是同等作用的；标准模型理论也预言，引力对物质和反物质应该产生同样的影响。那么重力的作用会使反物质向下落还是向上飞？如果反物质的行为是完全不同的，它们是否会颠覆现有的物理学理论呢？CERN正在进行的“神盾（AEGIS）”实验、“反氢激光物理装置（ALPHA）”实验等都在试图发现这一点。

当然，观察引力对反物质的影响并不像看到苹果从树上掉下来那么容易。这些实验需要将反物质保存在一个阱内或通过让其冷却到绝对零度之上的温度从而让其降速，才能更好地对其进行观察。而且，因为引力是最微弱的基本力，物理学家们必须在这些实验中使用中性的反物质粒子，来预防更强大电场产生的干扰。

粒子减速器让反物质放慢脚步对于粒子加速器，我们很多人都已经耳熟能详，但你知道还存在粒子减速器吗？CERN就有一台名为“反质子减速器（Antiproton Decelerator）”的设备。2000年8月10日，CERN宣布这台反质子减速器投入使用。

这台反质子减速器是一个圆形混凝土盒，周长188m，耗资1150万美元。它利用磁场将高能反质子和正电子冷却、减速和聚积，最终在电磁场束缚下形成大量反氢原子，这些“冷”反氢原子的温度仅比绝对零度略高几度，为以后研究反质子和反氢原子等粒子的特性和行为提供了可能。

2014年，CERN的“低速反质子原子光谱和碰撞（ASACUSA）”实验团队将正电子和由反质子减速器产生的低能量反质子混合，首次成功制造出反氢原子束。他们检测到了一束由80个反氢原子构成的、长达2.7米的反物质束流。

中微子或是自己的反粒子物质粒子和其反粒子伙伴携带的电荷相反，使科学家们很容易区分彼此。但中微子几乎没有质量，也很少与其他物质相互作用，更加没有电荷，由此，科学家们相信，中微子可能是马约拉纳费米子（与反粒子相同的粒子）。20世纪30年代，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出中微子可以作为自己的反粒子。

研究中微子性质的马约拉纳探测器以及美国的EXO-200等探测实验都旨在通过寻找一种名为无中微子双β衰变的行为，从而确定中微子是否是马约拉纳费米子。有些放射性的原子核会同时衰变，释放出两个电子和两个中微子。如果中微子是自己的反粒子，那么，它们会在双衰变之后瞬间彼此湮灭，科学家们只会看到电子。

找到中微子或能帮助科学家们解释反物质—物质不对称。物理学家们认为，中微子有的轻、有的重。目前存在的是轻中微子，而重中微子只在大爆炸后的一瞬间存在。

反物质在医学领域“大显身手”时至今日，人们发现和制造的反物质粒子虽然不多，但像正电子这样的反物质已经不足为奇了。虽然现在还不能像科幻小说里所描述的那样制造和存储大量反物质，但在较小规模上反物质已经得到了应用，比如，在不少医院里使用的正电子发射计算机断层显像（PET）设备，正是用正电子来生成身体的高清图像。

发射正电子的放射性同位素（比如香蕉内发现的钾-40）被附着到葡萄糖等化学物质上，然后一起被注射入血管内。葡萄糖在血管内分解，释放出正电子，正电子遇见体内的电子并彼此湮灭。这一湮灭过程会产生伽马射线，这些伽马射线可被用来构建身体的图像，从而为医生提供诊断依据。

而CERN的科学家们一直在研究将反物质作为一种潜在治疗癌症的手段。物理学家们发现能使用粒子束攻击肿瘤，这些粒子束会在安全地穿越健康组织之后，释放出能量。使用反质子可以添加另一束能量。科学家们已经发现，这一技术对仓鼠的细胞有效，但目前仍然没有在人体进行相关研究。

大爆炸后的反物质或仍在潜伏科学家们一直希望“揪出”大爆炸后留下的反物质，从而解决物质—反物质不对称这一谜团。

国际空间站上阿尔法磁谱仪（AMS-02）的使命就包括搜寻这些粒子。2011年搭乘“奋进号”升空的这个先进探测器，被视为可对反物质谜案做出“结案陈词”的科学利器。在今后的十几年里，它将在这个太空中最理想的地方，探索反物质以及反宇宙的存在。除此之外，它的使命还包括寻找宇宙中的暗物质以及探索宇宙射线。

AMS-02是人类送入太空的最大磁谱仪，可以从数十亿个事件中识别一个反粒子。这意味着与以前的实验相比提高了三个数量级的精度。在这样的精度下，探测器将以前所未有的准确度来探测宇宙射线光谱的组成。

AMS-02内部有一个强大的永久磁铁，带电粒子和反粒子将在其作用下向相反的方向偏转，从而让物质和反物质分道扬镳，而不会“见面”导致彼此湮灭。

宇宙射线碰撞一般会产生正电子和反质子，但制造出一个反氦原子的可能性极低，因为这一过程需要大量能量。这意味着，即便只发现一个反氦核，就能成为宇宙某处存在大量反物质的坚实证据。这些物质是在宇宙大爆炸后产生的，它们的发现将成为认知当今宇宙的真正突破。

反物质推动飞船仍是长路漫漫反物质潜在且十分诱人的用途是用来制造星际航行火箭的超级燃料。

科学家们早就发现，当反粒子和粒子在高能下碰撞而湮灭时，会释放出大量能量。而这种能量的释放率远远高于核弹、氢弹，大概几克产生的能量就相当于一枚战略核弹。正因为有这样的性质，在科幻小说里，反物质经常作为星际飞船的燃料出现。《星际迷航》系列电影中，“企业号”宇宙飞船可实现曲速飞行、超光速抵达宇宙中任何一个地方，仰仗的正是它的反物质动力系统。

美国肯特州立大学高级研究员张伟明（音译）和西储学院的罗南·基南的分析结果显示，反物质火箭的速度完全能够达到光速的70%。从理论上来说，用反物质作为火箭燃料可能的，但在这项新构想真正付诸实施之前，人们必须解决反物质数量稀少和存储两大难题。

目前，科学家们仍然没有办法大规模制造或收集到足够多的反物质，经过近半个世纪的研究，人类现在也最多只能将反物质（反氢原子）保存1000秒。据媒体报道，2011年，CERN的科学家成功将309个反氢原子保持到1000秒，是此前的5000倍。

不过，科学家就是一群“明知山有虎，偏向虎山行”的人，不少科学家正在进行反物质的制造和存储研究。如果未来某一天，科学家们能够找到制造或收集大量反物质的方法，那么，由反物质推进的星际旅行有可能从梦想走进现实。

但有趣的是，当反物质火箭真正投入使用之后，乘客们还必须开始习惯所谓的相对论效应——当接近以光速飞行，时空并不会移动得那样快。简单地说，从地球到半人马座的旅行，地球时钟会走了大约6年，但实际感觉只过了不到4年半时间而已。

实际上，人体也会释放反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入，人们对反物质作用的认识一定会越来越深刻，反物质世界必将为人类做出贡献。