科技史上的今天 | 1979·10·30人类首次测出宇宙空间反物质流

1979年10月30日，美国科学家利用高空气球，测出了宇宙空间的反物质流。气球在高空中飞行了8个小时，它的探测器的磁场最终测获了28个反质子。这是人类在地球上的实验室以外第一次发现反物质。

1克反物质能产生相当于核爆的爆炸规模，比原子弹、氢弹更强大。科学家们认为，这一发现对宇宙起源的研究将产生重要影响，也为原子能核物理研究奠定了一个全新的方向——高能物理。

保罗·狄拉克

◆反物质是否真的存在？

世界是由物质组成的，很早之前，科学家就提出了“反物质”的概念，对传统观点提出了挑战。那么，反物质究竟是什么？宇宙中是否真的存在反物质？

根据大爆炸理论和粒子物理理论，宇宙起源于大约137亿年前的一次大爆炸。在宇宙诞生之初，能量转化为同样多的正物质与反物质，这两种物质相遇会发生剧烈爆炸，转化为能量，并归于湮灭。可是目前宇宙中的天体均为正物质，没有发现反物质天体。为什么现在的宇宙间充满了正物质而非反物质呢？这是物理学领域最大的谜团之一。

反物质和物质是相对立的，它们是两个不同的概念。众所周知，物质构成了世界，而原子构成了物质，原子核位于原子的中心。原子核由质子和中子组成，带负电荷的电子围绕原子核旋转。原子核里的质子带正电荷，电子与质子所携带的电量相等，但一正一负。质子的质量是电子质量的1840倍，它们在质量上形成了强烈的不对称性，这引起了科学家的关注。因此，有一些科学家在20世纪初就认为二者相差悬殊，因而应该存在另外一种电量相等而符号相反的粒子，如存在一个同质子质量相等但携带负电荷的粒子，和另一个同电子质量相等但携带正电荷的粒子——这就是“反物质”概念的最初观点。

欧洲核子研究中心

◆反物质发现的科学历程

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。他提出了一个描述电子运动的数学方程式，即狄拉克方程。这是一个既具有量子力学特征，又满足狭义相对论要求的方程。在方程中，和电子共同存在的还有另一种粒子，它并不是传统带负电荷的电子，而是奇怪的带着正电荷的电子——也就是电子的反粒子。

1931年，狄拉克还进一步提出质子及其他粒子也应该有相应的反粒子。如果所有粒子都有反粒子，那么就有可能存在完全由反粒子组成的物质，这种物质就是反物质。这是人类第一次意识到可能存在反物质。

此后，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。

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”；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。

反物质的发现对研究宇宙起源将发生重要影响

◆首个发现反物质的中国科学家

提起反物质的发现者，不得不提到一位中国核物理学家，他就是世界第一个发现反物质的科学家、我国核物理先驱、我国加速器建造事业的开拓者--赵忠尧。

1927年，赵忠尧赴美国加州理工学院学习。几年学习让他在理论物理方面突飞猛进，在读博期间，赵忠尧选择了极难的课题--《硬γ射线通过物质时的吸收系数》。令所有人没想到的是，正是这个题目，让赵忠尧找到了一个物理学的伟大发现--反物质。

1930年5月，美国《国家科学院院报》正式发表了赵忠尧的论文--《硬γ射线吸收系数测量》。这篇论文首先向世界宣布，硬γ射线通过不同物质的吸收系数是有很大差异的，通过轻元素时的吸收系数较小，符合克莱因－仁科公式，而通过重元素时，吸收系数比克莱因－仁科公式计算结果高得多。

论文一发表，就引起了世界核物理科学家们的注意，随后有几个单位也纷纷开始了这项实验，得出了同样的结论。光这一重要发现，赵忠尧就足以获得博士学位。但他并没有停止研究的步伐，因为这一实验结果意味着，γ射线通过重物质时，有可能存在一种没被人们发现的新物质。

经过几个月的艰苦实验，在1930年9月，赵忠尧最终发现：伴随着硬γ射线在重元素中的反常吸收，还存在一种从未见过的特殊辐射现象，这种辐射非常弱，要把它与很强的康普顿散射本底分开非常困难。赵忠尧还进一步测得，这种特殊辐射的能量为0.5兆电子伏，大约等于一个电子的质量，辐射角的分布大致为各向同性。这种物质即后来科学家定义的反物质——正电子。

我国核物理先驱赵忠尧

与此同时，赵忠尧在加州理工学院的同学菲利浦·安德森对赵忠尧的科学研究深深着迷，意识到这可能将是人类物理研究史上的一次伟大发现，于是安德森在赵忠尧实验室的隔壁开始了同样的研究。1932年，安德森在宇宙线的云雾室照片上，观察到了正电子的径迹。此后，人们对反常吸收的特殊辐射才有了新的认识。安德森的这一发现，比赵忠尧晚了两年时间。

1936年，瑞典皇家科学院决定对发现正电子这项举世瞩目的研究成果授予诺贝尔物理学奖，但是，评奖揭晓时，获奖者的名单中没有1930年首先发现正负电子湮没的赵忠尧的名字，只有1932年在云室中观测到正电子径迹的安德森。

对于这一历史谜案，后来诺贝尔物理奖委员会主任埃克斯蓬曾解释道，当时评选诺贝尔奖时，曾经安排人对赵忠尧的研究进行评定，结果因为方法错误和设备失灵导致没能得出赵忠尧所做实验的结果，最后与诺贝尔奖失之交臂。虽然没能获得诺贝尔奖，但赵忠尧对世界物理学界和中国核物理发展的贡献都无法被抹去。

综合自科普中国、科学网