接触反物质国际的大门只需要你手中的香蕉

出品：科普中国

制作：崔二亮 （西北农林科技大学）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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）。一直以来，科学家根据反物质对应的物质的性质，理论上假设反物质的量子效应与物质一致。而这次的测量结果显示，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。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。

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。这部小说后来被改编成由汤姆·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。

什么是反物质？

物理学对反物质的定义是：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。

科学家开始通过各种方法去寻找反物质。科学家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。

反物质不仅存在，还能被”制造”出来

其实，目前物理学家们已经能够在实验中“制造”大量反物质用于研究了。

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。

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

“制造”反物质并不容易，但也并非不可能。

首先，我们应该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，能够最终靠一些手段，将质量转化为能量，也可以将能量转化为质量。相信我们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。

要获得反物质，即，产生一定质量的粒子，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，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。

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。

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。我们所熟悉的粒子加速器有，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。

其实，生活中一些元素能直接通过衰变产生反物质。比如，我们生活中常见的一种水果香蕉中富含的钾元素K就能通过衰变产生正电子。

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，能够最终靠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，毕竟，离开剂量讲毒性都是“耍流氓”。

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两部分所组成，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很重要。

获得反物质很难，保存它更难

如果我们周围有反物质——不单单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：宇宙中竟然存在反物质，为啥不容易看见？

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。

正反物质湮灭产生的双光子有多高能呢？

我们以0.5克的反物质和0.5克的物质碰撞湮灭为例。只需用质能方程做个简单的乘法就能知道：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，0.5克的反物质和0.5克的物质碰撞湮灭之后会产生90,000,000,000,000（九十万亿 ）焦耳能量。

这个能量是什么概念？食用一根普通香肠（约75克），可以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7200万根这样的香肠。

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”原子弹爆炸产生的威力为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”原子弹产生的能量！

这也就是为什么《天使与魔鬼》中的“光照派为何需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。但是电影中却没有告诉你，”光照派”是用什么容器盛放反物质的。

不过幸运的是，从技术上来说要制造和保存即使是0.5克的反物质，也几乎是不可能的。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。我们要把反物质放在哪里？

虽然很难，但理论上还是保存反物质的方法。你不可能将反物质放入一个普通的盒子储存起来，因为反物质马上就会发生湮灭而消失。为了尽最大可能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。这样一个时间段，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）的电磁约束装置来保存反物质。一种潘宁阱结构及离子在阱中的运动轨迹示意图(Image: CNKI)

为什么研究反物质世界？——细思极恐的科学

反物质这么危险，发现反物质这么难，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。根据反物质对应的物质的性质，我们假设反原子发出的光和物质原子发出的光是一样的，反物质物体也会在重力作用下做落体运动，但是真实情况其实我们并不知道。我们得到的反物质太少了，反物质的储存又如此艰难。

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？反物质的研究还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，目前科学家发现，我们的宇宙几乎只由物质构成。只有证明正反物质之间的对称性不严格，才能说明我们现在宇宙的存在就是合理的，即使这种对称性破缺只有百万分之一。

因为，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，但事实是，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有物质而不是反物质构成。

也许有人会问，怎么知道世界是物质的而不是反物质组成的呢？

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.

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.

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