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奇妙的反物质世界

作者:原理
奇妙的反物质世界
奇妙的反物质世界

在科学史上,将两个理论成功地结合,往往会收获意想不到的回报。

回到上个世纪初,狭义相对论和量子力学的出现,使物理学发生了天翻地覆的改变。狭义相对论颠覆了我们的时空观,而量子力学揭示了微观世界的诡异行为。

1928年,物理学家保罗·狄拉克写下了一个结合了狭义相对论和量子力学的方程,用来描述高速运动的电子的行为。这本就是一项极其了不起的成就,但更令人惊奇的是,这个方程还预言了一个更为奇异的世界。

狄拉克发现,这个方程实际上预言了一类全新粒子的存在——对于每一个粒子,都存在一个对应的反粒子。例如,对于电子而言,应该存在一个“反电子”,它们具有相同的质量,却有着相反的电荷。

1932年,物理学家卡尔·安德森在观察穿过云室的宇宙线时,看见了一个与电子质量相同、带有正电的物体留下的轨迹。他认为,这些轨迹实际上就是“正电子”(也就是电子的反粒子)所留下的。

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左:狄拉克方程预言了反物质的存在;右:安德森在云室中拍摄到了正电子的轨迹,并于1932年9月9日,在《科学》杂志上发表了他的发现。

尽管距离第一个反粒子的发现已经过去了90年,但反物质仍然充满了许多未解的难题。在探索的过程中,我们也发现了许多与反物质相关的有趣而又令人困惑的事实。

每一个原子都包含了反物质

无论是我们的身体,还是周围的世界,都是由原子构成的。

我们都知道原子是由质子、中子和电子组成的。质子和中子统称为核子,它们是原子核的组成部分,占宇宙可见物质的99%以上。但与电子不同的是,核子并非基本粒子,它们是由夸克组成的。

夸克有六种类型,或者说六种“味”,其中最轻的上夸克和下夸克最有可能在核子中找到。在最简单的图景中,质子包含了三个“价夸克”——两个上夸克和一个下夸克,它们的电荷(分别是+2/3和-1/3)结合起来使质子的电荷为+1。

但随着物理学家对质子的了解逐渐深入,他们发现事情远没有那么简单。在质子的内部,实际上还包含了将夸克束缚在一起的胶子,以及不断出现和消失的夸克和反夸克对。

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根据描述夸克和胶子相互作用的量子色动力学(QCD),六种味的夸克都应该存在于质子内部。物理学家基本同意质子内部还存在着内在奇夸克(也就是第三轻的夸克),而QCD也告诉我们,每当一个奇夸克被创造,一个反奇夸克也必须出现。在最近的一项研究中,物理学家甚至还找到证据表明,质子内部还存在着比质子本身都重的内禀粲夸克。

除了原子,还有反原子和奇异原子!

欧洲核子研究中心(CERN)是目前世界上最强大的粒子加速器,它可以创造出完全由反物质构成的反原子。最简单的反原子是反氢原子,由一个正电子和一个反质子组成。

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无论是反氢原子还是反质子,都可以被用于检验爱因斯坦的广义相对论的一个重要原理——弱等效原理。该原理告诉我们,所有处于相同引力场中的物体,无论其性质如何,都会经历相同的加速度。到目前为止,实验均表明弱等效原理不仅适用于物质,也适用于反物质。

除了反原子外,CERN还创造出了由物质和反物质构成的奇异原子。CERN有一台特殊的仪器,叫反质子减速器,它能够减缓那些以接近光速的速度进入该设备的反质子的运动。当反质子变慢后,科学家会将它们与冷却到接近绝对零度的液氦混合。其中一小部分的反质子会在液氦中被捕获,使原本绕氦原子核运行的两个电子中的一个被反质子取代,形成了能在短时间内保持稳定的反质子氦。

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除了包含反质子的混合氦原子之外,其他奇异原子还包括μ子素(Muonium)和正电子素(positronium)。奇异原子被用来研究极小尺度上的物质和反物质之间的相互作用,这些相互作用是寻找新物理的重要工具。例如,通过奇异原子,科学家正在寻找神秘的暗物质和第五种力。

为什么我们会存在?

物质、能量、时间和空间……已知所有的一切都始于138亿年前的大爆炸。

根据已知的物理学定律,在大爆炸之后,宇宙中应当产生了等量的物质和反物质。而我们知道,当物质和反物质相遇时,它们会湮灭,以光子的形式释放出能量。这就意味着,理论上,在宇宙最初的时刻,物质和反物质就应该全部湮灭,使宇宙中只剩下能量。如果是这样,那么今天的宇宙就不会有星系、恒星、行星,甚至是你、我的存在了。

幸运的是,这一切并没有发生,否则我们也不会在这里对我们的存在感到疑惑。那么,究竟是什么导致了物质和反物质之间的轻微不对称性,使今天的宇宙全是由物质而不是反物质组成的?这是当今物理学最大的谜团之一。

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1967年,物理学家Andrei Sakharov提出,如果宇宙满足三个条件那么就有可能演化出一个由物质主导的世界,其中一个条件便是CP对称性必须被打破(或者说CP破坏)。简单来说,CP对称性指的是,在一个镜像世界中,反粒子的行为应当和粒子完全相同。

在过去的几十年中,物理学家已经发现夸克和反夸克打破了CP对称性,但从夸克中所观察到的CP破坏的量完全不足以解释最初的物质和反物质之间的不对称性。2020年,物理学家也首次报告了他们在轻子中发现了CP破坏的证据。如果结果进一步确认,这将是CP破坏的全新来源。

现在,世界各地的大型实验仍在努力,希望找出物质和反物质之间的微小差异。随着实验测量的精度不断提高,我们终将解开我们的存在之谜。

参考来源:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04440-7

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04203-w

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01000-9

云室图片来源:Carl D. Anderson, /Physical Review/ Vol.43, p491(1933)

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