反物質，宇宙的鏡像世界

來源：光明網-《光明日報》

作者：宋寧強（中國科學院理論物理研究所副研究員）

如果，反物質真的存在，它們在哪裡？當前物理學知識認爲，在宇宙誕生之初，正物質與反物質應是等量存在的。那麼，在我們這個物質世界之外，是不是還有一個完全相反的世界？如果並沒有一個“反世界”，那麼，又是什麼讓正物質保留了下來，構成了今天的世界？如今，反物質已經成爲研究的熱點和焦點。

反物質究竟是啥？

想象一下，當你每天起牀洗漱的時候，面前的鏡子裡出現了一個與你對稱的人影。他有着和你一樣的相貌，做着同樣的動作，卻處在“相反”的空間。鏡子中的人影就是反物質的一種體現——反物質是物質的“鏡像”。在物理學中，反物質是與普通物質相對應的一種存在。

每種粒子，例如電子、質子、中子，都有一個“反粒子”，它們的質量相同，但電荷等性質相反。當反物質與普通物質相遇時，雙方會相互湮滅，釋放出能量——這就是反物質與普通物質之間最引人矚目的特性，湮滅性。

反物質的發現可以追溯到20世紀初。1928年，英國物理學家保羅·狄拉克試圖將量子力學與愛因斯坦的狹義相對論相結合來描述電子時，通過數學推導發現，方程的解中必須引入一種“負能量狀態”的粒子，他由此首次預言了電子的反粒子——正電子的存在。1932年，美國物理學家卡爾·安德森在研究宇宙射線時，通過雲室實驗首次觀測到正電子的軌跡。帶負電的電子在磁場中偏轉向了一個方向，而帶正電且質量相同的粒子偏轉向了另一個方向，這證實了狄拉克的預言。隨後，1955年，物理學家錢伯倫、塞格雷、維岡德、伊普西蘭蒂斯在美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的前身，通過迴旋加速器中高能粒子的碰撞，首次人工產生了反質子。

在反物質的研究中，中國也在發力。特別是最近幾年，中國科學家有了很亮眼的表現。2024年8月，我國科學家在一項國際合作實驗中，通過重離子碰撞，成功觀測到了反超氫-4。這是科學史上迄今爲止觀測到的最重的反物質超核，實現了在反物質研究中新的突破。

爲什麼要研究反物質？

我們生活在一個物質佔絕對主導的世界，自然界中的反物質極爲稀少。即使是高能宇宙射線中的反粒子，也會迅速與地球大氣中的物質湮滅。既然如此，科學家們爲什麼還要花費鉅額成本去研究它？因爲，研究反物質是我們瞭解物質世界的重要窗口。這裡，筆者給大家介紹研究反物質的三個“小目標”。

目標一：反物質去哪了？這是著名的“重子不對稱問題”。宇宙大爆炸理論認爲，在宇宙誕生初期，物質和反物質應該是等量產生的，但今天我們觀察到的宇宙幾乎完全由物質組成。通過研究反物質，科學家希望找出物質爲何在宇宙中佔據主導地位的答案，進而揭示宇宙的形成機制。這是現代物理最重要，也是最根本的未解之謎之一。近年來，對物質-反物質對稱性破缺的研究成爲一個突破口——這種對稱性破缺可能解釋，爲何反物質在大爆炸後的早期階段逐漸“消失”，只留下了少量優勢的物質，這種微妙的不對稱可能是宇宙存在的根源。

目標二：我們發現的物理定律對反物質適用嗎？這是要測試物理定律的對稱性。有助於推動對基本物理定律的理解，甚至發現新的物理規律。比如，反物質會不會受到地球引力的吸引？換句話說，如果把一團反物質放在空中，它會像蘋果一樣往下掉嗎？這個問題看似簡單，但其背後隱藏着對愛因斯坦廣義相對論和物理基本對稱性的嚴峻挑戰。根據廣義相對論，所有物體都應該以相同的方式響應重力場，不管它們的質量大小、組成成分、是物質還是反物質，這叫做“等效原理”。這個原理，在普通物質上已經被反覆驗證，但在反物質上，卻一直懸而未決。

我們最近有了能力以實驗去“測試”它。反氫原子是由一個反質子和一個正電子組成的反物質原子，它是氫原子的鏡像版——理論上，它與氫原子有相同的質量、相似的結構，只不過構成的基本粒子是反的。歐洲核子研究中心的科學家們首次成功地製造並“捕捉”到反氫原子。他們利用強磁場將反氫原子懸浮在真空中，防止它與容器接觸發生湮滅。2023年，實驗團隊“關掉”了磁場，讓反氫原子在無外力作用下自由運動。實驗結果表明，反氫確實會向下掉落，其響應引力的方式與普通物質一致，在當前的測量精度範圍內，沒有發現明顯差異。雖然目前的實驗精度還不夠高，但這已經是一個重大的里程碑。它告訴我們，愛因斯坦的廣義相對論很可能也適用於反物質，這進一步鞏固了現代物理的基石。此外，科學家們同樣通過測量反氫原子的光譜，來檢驗描述微觀基本粒子相互作用的物理理論的精確性以及物質和反物質的不對稱性。

目標三：研究暗物質。暗物質在宇宙結構的形成和演化中發揮着重要作用，但是它既不發光也不吸收光，至今尚未被直接探測到。如果存在暗物質的“鏡像”——反暗物質，它們之間就能夠湮滅，產生更多的反物質。科學家們在地球空間軌道上發射了一些探測器去測量地球周圍的反物質。令人驚訝的是，他們觀測到了比預想中更多的正電子和反質子，甚至尋找到了反氦核的跡象。許多科學家認爲，在銀河系中心存在着高密度的暗物質和反暗物質，它們湮滅產生的反物質，最終導致了我們在地球附近觀測到的反物質超出。雖然這些反物質超出的起源仍然有待確認，但是反物質的研究的確爲我們解開暗物質的謎團打開了一個新的窗口。

反物質研究有用嗎？

反物質也並非只能在理論和實驗物理研究中存在，它已經悄然改變我們的生活。正電子發射斷層掃描（PET）就是利用正電子進行的醫學成像技術——醫生在患者體內注射含有放射性正電子的示蹤劑，當正電子與電子湮滅時會釋放出光子；通過追蹤這些光子，成像儀能夠重建出高精度的體內代謝圖像。

這並不是反物質研究在健康領域的唯一用途。歐洲核子研究中心也在2003年至2013年間開展了反質子細胞實驗（ACE），旨在評估反質子在癌症治療中的有效性和適用性。這個實驗彙集了來自全球10個研究機構的物理學家、生物學家和醫學專家，共同研究反質子對生物細胞的影響。到目前爲止，粒子束療法主要使用質子來摧毀癌細胞。這些粒子以預定的能量被送入患者體內，剛好在到達腫瘤特定深度時停止。然而，在摧毀癌細胞的同時，粒子束也會影響健康細胞，重複治療會增加對健康組織的損害。ACE實驗嘗試了一種新方法，那就是使用反質子來治療癌症。反質子和癌細胞相遇時，它們會像“爆炸”一樣相互摧毀。實驗利用這一效應，讓反質子與癌細胞原子核的一部分湮滅。湮滅釋放的能量將原子核炸開，並將碎片投射到相鄰的癌細胞中，從而摧毀它們。實驗發現，使用反質子能夠更高效地摧毀癌細胞，同時減少對健康細胞的傷害。儘管ACE實驗已於2013年結束，將反質子應用於臨牀治療仍然面臨諸多挑戰，但其研究結果爲未來癌症治療方法提供了新的視角。

反物質也是一種具備巨大潛力的能源。反物質與普通物質湮滅時，幾乎100%的質量都會轉化爲能量，產生的能量密度是傳統化石燃料的10億倍，是核電站的1000倍。反物質和物質湮滅時產生的能量也是純粹的，不會留下任何污染或溫室氣體。若能克服當前的技術瓶頸，實現高效可控的反物質存儲和利用，那麼反物質將成爲一種近乎完美的清潔能源。

反物質的這一特性爲星際旅行提供更多可能。反物質火箭引擎的理論推力可以達到普通火箭引擎的千萬倍以上。有科學家估計，使用反物質燃料的火箭，其速度有可能達到光速的15%。這意味着，從地球到月球的旅程，可能只需要短短的9秒。而反物質的高能量密度意味着，即使攜帶少量的反物質，也能爲航天器提供足夠的能量，進行長時間的深空探索。這對於星際旅行來說至關重要。雖然反物質火箭引擎的實現還面臨諸多困難，但隨着科學技術的進步，這些難題有望逐步得到解決。反物質作爲未來航天領域的一種潛在革命性技術，正吸引着全球科學家的關注和努力。到了那一天，人類的太空探索將進入一個全新時代，星際旅行將成爲現實！

你問我答

問：在不少科幻作品中，反物質被描繪成無比危險、稍有不慎就毀天滅地的“終極武器”——物質和反物質湮滅時能夠釋放巨大的能量。反物質會摧毀世界嗎？

宋寧強：目前大家完全不用擔心。的確，根據愛因斯坦的狹義相對論，1千克反物質與1千克物質湮滅，可釋放約4300萬噸TNT爆炸的能量，相當於人類歷史上最大的氫彈。然而，地球上幾乎無法自然產生穩定存在的反物質。實驗室中製造的反物質數量極少，製造成本也極其高昂——歐洲核子研究中心一年製造的反質子僅爲十億分之一克量級，製造1克反物質需要消耗的能量就相當於全世界四萬年的電力消耗，成本超過6000萬億美元。此外，儲存反物質也極爲困難，任何容器都由物質組成，一旦反物質接觸到容器壁，就會湮滅消失。科學家專門開發了“磁瓶”等技術通過磁場將反物質“懸浮”起來，暫時保存在真空中，但效率和穩定性都很低。現階段，用它來製造“反物質炸彈”幾乎不可能。

《光明日報》（2025年05月22日 16版）