寻踪反物质：宇宙诞生留下的最大悬念

        【每日科技网】 　　大爆炸之后的138亿年里，宇宙依旧充盈着各类天体，而它们无一例外由物质构成。既然物质安然存在，那与它相对的反物质，究竟遁于何处？
　　在近日美国芝加哥举办的第38届高能物理国际会议上，日本科学家为这一谜题提供了新的思路：中微子这种亚原子粒子在物质与反物质形态下的表现存在差异。不过他们也坦言，还需收集更多数据才能验证这一解释。
　　宇宙为何存在物质？这是物理学界悬而未决的重大谜团。恒星、行星、星系乃至动植物，皆由物质构成——这本是顺理成章之事，直到“反物质”的出现，将人类带入认知的困境。
　　根据现有对宇宙起源与反物质的认知，物质与反物质本该一同湮灭。反物质的关键特性在于：与物质相遇时会相互抵消，随之释放巨大能量（光子）。而物理定律表明，宇宙大爆炸产生的能量应等量催生物质与反物质。矛盾就此显现：若二者等量，理应“同归于尽”，可138亿年后的今天，宇宙仍被物质构成的天体填满。那么，反物质究竟去向何方？
　　反物质的发现：从方程预言到实验室验证
　　故事要从1928年说起。当时物理学正经历剧变：爱因斯坦的相对论阐释了引力本质与高速运动物体的特性，另一批物理学家则在构建量子力学以描述粒子行为。而英国物理学家保罗・狄拉克，正试图将这两大理论连接起来。
　　他提出的“狄拉克方程”，既蕴含量子力学特征，又符合狭义相对论，方程中除了带负电的电子，还预言了一种带正电的“反电子”——即电子的反粒子。1931年，狄拉克进一步推测：质子等其他粒子也应有对应的反粒子，若所有粒子都有反粒子，便可能存在完全由反粒子构成的“反物质”。这是人类意识到反物质的可能性。
　　其实早在狄拉克预言前，反粒子已在实验室留下痕迹，却被忽略。当时探测带电粒子径迹的主要工具是“云室”：高能粒子穿过时会形成白雾状轨迹，施加磁场后，带电粒子会因偏转留下弯曲径迹。科学家曾注意到，磁场中一半电子向一个方向偏转，另一半则反向偏转，但因固有认知中“电子只有一种”，便未曾想过反常轨迹来自反粒子。
　　狄拉克的预言为实验指明了方向。1932年8月，美国物理学家卡尔・安德森通过实验确认了“反电子”的存在，并将其命名为“正电子”。自此，反物质不仅成为物理学的研究焦点，也走进了科幻小说的想象世界。
　　宇宙中的反物质：从宇宙射线到反物质云
　　根据狄拉克方程，反物质应遵循与普通物质相同的自然规律。若此成立，宇宙中物质与反物质含量应相等，甚至可能存在“反物质星球”“反物质星系”。那么，如何在宇宙中寻找反物质？
　　天文学家将目光投向了持续轰击地球大气层的宇宙射线。1936年，科学家果然在宇宙射线中探测到了正电子。
　　2008年，更重大的发现出现：银河系中心附近存在一朵庞大而稀薄的反物质云，它能释放伽马射线。欧洲航天局的射线卫星观测显示，这朵云并非位于银河系中心，而是尾随着一颗发射X射线的恒星。其反物质可能并非宇宙诞生时的遗留，更可能源于恒星周围的高能过程——例如恒星气体被黑洞吞噬时，极端能量会催生反物质。
　　有趣的是，反物质的产生并非天体专属。香蕉因含天然放射性同位素钾-40，平均每小时会释放一个正电子，只是正电子与电子相遇后湮灭的能量微乎其微。人体内的钾-40也会发生类似过程。但这些并非“原始反物质”，科学家真正要找的是反氦核等更重的原始反粒子——因为自然界无法产生反氦核，唯有宇宙大爆炸能形成。若发现反氦核，甚至反碳核（碳只能在恒星内部形成，反碳核的出现意味着可能存在“反物质星球”），将是天文学的重大突破。
　　物质与反物质的不对称：破解谜团的关键？
　　2011年，阿尔法磁谱仪探测器进入国际空间站，专门测量宇宙射线中的反物质。截至2013年，它已观测到40万个正电子，却未发现其他种类的原始反物质。这意味着，原始反物质或许并不存在于宇宙某处，剩下的可能是：物质与反物质虽对称，却有不同“性格”。
　　几十年来，粒子物理实验多次观测到粒子与反粒子的行为差异，这与“弱核力”密切相关。弱核力是自然界四大基本力之一（其余为引力、电磁力、强核力），主导亚原子的放射性衰变，而强核力的作用范围仅相当于原子核大小。
　　1964年，物理学家在研究K介子衰变时发现：K介子可自然衰变为反K介子，反K介子也能衰变为K介子，但两个过程的发生频率不同。据此推测，宇宙大爆炸时，在弱核力作用下，可能存在更利于物质产生的过程——例如每形成10亿个反物质粒子，就会产生10亿零1个物质粒子。物质的微量过剩，使得湮灭后剩余的物质构成了今天的宇宙。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验，也证实了物质与反物质在弱核力作用下的行为差异，进一步支持了这一猜测。
　　但问题依然存在：根据对撞机数据估算，宇宙诞生时的反物质质量仅相当于一个普通星系，与“每10亿对粒子过剩1个”的推测相去甚远。显然，反物质的研究仍任重道远。
　　宇宙是否存在另一半反物质世界？它藏身何处？物质与反物质为何行为有别？宇宙诞生之初究竟发生了什么？这些谜题尚未解开，浩瀚宇宙对于人类而言，依旧是一片等待探索的未知疆域。