[转载]反物质浅谈

卢昌海, 是我很喜欢的一个作者?他的性质很不好定义. 但这并不妨碍我从他的文字中学习到很多东西. 下面这篇<<反物质浅谈>>就是他近期的一篇文章, 很有趣, 内容也十分广泛. 不自觉就转载了一下. 呵呵~
 
反物质浅谈
 作者:卢昌海

一. 一个令人苦恼的结果

众所周知, 科幻小说作为一种特殊形式的小说, 常常从现代科学的发展中吸取新的概念, 反物质就是其中之一。 二十世纪四十年代, 美国科幻小说家威廉森 (Jack Williamson) 创作了一系列以反物质为题材的小说, 称为 CT 故事, 其中 “CT” 是他为反物质所拟的名称 “Contra-Terrene” 的缩写。 威廉森的 CT 故事问世后不久, 另一位美国科幻小说家阿西莫夫 (Isaac Asimov) 也在自己脍炙人口的机器人故事中引进了反物质的概念, 他所设想的机器人大脑是所谓的 “正电子大脑” (positronic brain), 而正电子是电子的反粒子, 是反物质的基本组元之一。 二十世纪六十年代, 著名科幻电视连续剧《星际旅行》开始播出, 在这部迄今已连续创作和播出四十年之久、 拥有不止一代忠实观众的电视连续剧中, 反物质是星际飞船的重要燃料 – 这一点现在已几乎成为所有以星际旅行为题材的科幻小说的共同特点。 反物质概念在科幻小说中的频频出现, 使公众对这一概念产生了浓厚的兴趣。

那么, 反物质这一概念最初是如何被提出的? 人们是如何发现反物质的? 反物质究竟是不是一种有效的燃料? 我们的宇宙中到底是物质多呢还是反物质多? 这些就是本文将要向大家介绍的内容。

反物质这一概念在学术界的出现最早可以追溯到十九世纪末。 1898 年, 英国物理学家舒斯特 (Arthur Schuster) 在给《自然》杂志的一封信中提到, 既然电荷可以有负的, 金子说不定也可以有负的, 而且负金子说不定和我们熟悉的金子有着一样的颜色。 这或许是有关反物质的想法在科学文献中的最早萌芽。 不过舒斯特有关反物质的想法只是一种简单而模糊的思辨, 没有真正的理论依据, 因而也没有引起任何重视。 反物质概念在物理学上的真正渊源, 是从将近三十年后的 1927 年开始的。 那一年, 量子力学奠基人之一的英国物理学家狄拉克 (Paul Dirac) 提出了一个描述电子运动的数学方程式。

狄拉克所提出的这一方程 – 被称为狄拉克方程 – 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。 这在当时是很令人耳目一新的结果[注一]。 更漂亮的是, 这一方程还出人意料地自动包含了此前为解释实验结果而不得不人为添加到量子力学中的一些的东西 – 一些在当时看来绝非显而易见的东西 – 比如电子的自旋和磁矩。 作为一个方程式, 狄拉克方程的形式之简洁, 内涵之丰富, 预言之神奇, 似乎达到了物理学家们梦寐以求的境界。

但这一方程式的野心似乎还不止于此, 它还包含了另外一个重要结果 – 可惜这回却是一个令人苦恼的结果。

这个令人苦恼的结果是: 狄拉克方程所描述的电子总能量既可以是正的, 也可以是负的。 我们知道, 人们在自然界中从未发现过总能量为负的电子, 因此狄拉克方程似乎允许存在一些自然界中不存在的东西。 仅仅是这样倒还罢了, 大不了我们假定自然界中所有的电子恰好都是正能量的。 但不幸的是, 按照量子力学的规律, 一个理论只要允许电子具有负能量, 那么正能量电子就会在很短的时间内通过量子跃迁进入到负能量状态, 从而变成负能量电子。 这种跃迁的结果无疑是灾难性的, 与现实世界也大相径庭[注二]

二. 错误描述中的正确结论

这么看来, 狄拉克方程看似漂亮, 实际上却似乎是错的, 不仅错了, 而且还错得相当离谱, 错得足可把整个世界都搭进灾难。 但一个错得如此离谱的方程又怎可能包含如此多看起来正确得惊人的结果呢? 莫非真的应了那句俗语: 真理过头一步就是谬误?

为了解决这个令人苦恼的两难问题, 狄拉克于 1930 年提出了一个大胆的假设, 那就是负能量电子的确是存在的, 不仅存在, 而且还很多, 多到足以把所有负能量状态都占满的地步。 由所有这些负能量电子组成的 “海” 就是我们平时所说的真空。 狄拉克之所以提出这样古怪的假设, 是因为当时人们已经知道了一条重要的物理原理, 叫做泡利不相容原理, 它表明任何两个电子都不可能具有相同的状态。 既然任何两个电子都不可能具有相同的状态, 那么一旦所有负能量状态都被负能量电子占满, 正能量电子也就不可能再进入负能量状态了。 这样一来, 负能量状态的存在就不再成为问题了。

狄拉克的假设挽救了他的方程, 却带来了一个新的问题。 那就是他的假设虽然阻止了正能量电子进入负能量状态, 却并不妨碍负能量电子因获得外来的能量而变成正能量电子。 一旦出现这种情形, 除产生一个正能量电子外, 真空中还将出现一个因负能量电子空缺而形成的空穴, 这种空穴等价于一个具有正能量, 并且带正电荷的粒子 (请读者想一想这是为什么?)。 那么这种带正电的粒子究竟是什么粒子呢? 狄拉克的数学直觉告诉他那应该是一个质量与电子质量相同的粒子。 但当时物理学家们所知道的唯一带正电的基本粒子是质子, 其质量比电子质量大了一千八百多倍。 因此如果空穴的质量与电子质量相同, 它将是一种新的带正电的粒子, 这是一个很大的麻烦。 今天的读者也许难以理解这种视新粒子为麻烦的想法。 换作是在今天, 能够预言新粒子不仅不是麻烦, 往往还会被认为是令人兴奋的结果 (除非有显著的实验证据表明这种新粒子不可能存在而未被发现)。 但提出新粒子这种后来一度成为家常便饭且蔚为时尚的做法对当时的物理学家来说却几乎是一个思维禁区 – 一个连素以勇气著称的量子力学奠基者们也未敢轻易逾越的思维禁区。 在这一思维禁区面前, 具有极高数学天赋, 并且一向崇尚数学美的狄拉克犯下了一生为数不多的显著错误之一, 他放弃了自己的数学直觉, 提出空穴对应的粒子是质子。

幸运的是, 思维禁区束缚得了思维, 却束缚不了计算; 物理学家的思维禁区束缚得了物理学家, 却束缚不了数学家。 狄拉克的观点提出后, 与他同时代的物理学家海森伯 (Werner Heisenberg) 和泡利 (Wolfgang Pauli) 分别对空穴的质量进行了计算, 结果表明它应该与电子质量相同, 数学家外耳 (Hermann Weyl) 更是从理论的对称性出发直接证明了这一点。 另一方面, 不管空穴是什么, 既然它是电子离开所留下的, 那么电子显然也可以重新跃回空穴, 一旦出现这种情况, 电子与空穴就会一起消失 (变成能量), 这种过程被称为湮灭。 如果空穴是质子, 那么这就意味着电子可以与质子互相湮灭。 这结果看起来显然很令人不安, 因为电子和质子是组成物质的基本粒子 (当时中子尚未被发现), 如果它们可以相互湮灭, 那么物质的稳定性就成问题了。 当然, 问题到底有多严重还得看湮灭的快慢程度, 或者说湮灭的几率。 美国物理学家奥本海默 (Robert Oppenheimer) 和俄国物理学家塔姆 (Igor Tamm) 分别计算了这种几率, 结果发现它相当大, 足以使物质世界在很短的时间内就崩溃离析。

在这些结果的连环打击下, 空穴是质子的假设遭到了灭顶之灾。 1931 年, 狄拉克纠正了自己的错误, 并提议将空穴所对应的质量与电子质量相同, 电荷与电子电荷相反的实验上尚未发现的新粒子称为反电子 (anti-electron)。 这一回, 他彻底突破了禁区, 不仅提出了反电子, 而且进一步提出质子及其它粒子 (如果有的话) 也应该有相应的反粒子。 如果所有粒子都有反粒子, 那么就完全有可能存在由反粒子组成的物质, 这种物质就是人们所说的反物质。 因此从某种意义上讲, 这一年 – 即 1931 年 – 可以被视为是反物质概念诞生的年代。

按照狄拉克对反粒子的描述, 反粒子是粒子脱离负能量状态后留下的空穴, 因此反粒子与相应的粒子可以湮灭。 这种湮灭有可能使粒子与反粒子同时转化为能量 (即光子)[注三], 这是理论上所能达到的最高能量转化效率。 这种转化效率是如此之高, 以至于一克反物质与一克物质湮灭所产生的能量就足以超过广岛和长崎原子弹所释放能量的总和。 若有朝一日人类能够广泛地利用反物质作为能量来源, 无疑将会带来巨大的技术飞跃。 这是反物质成为最受科幻小说家青睐的能量来源的根本原因。

不过需要指出的是, 狄拉克对反粒子的描述虽然直观, 而且听起来颇有道理, 其实在今天看来却只有历史价值。 用许温格 (Julian Schwinger) 的话说是 “最好作为历史的猎奇而被遗忘”。 如我们在上面介绍的, 狄拉克的描述需要通过泡利不相容原理来阻止正能量粒子进入负能量状态。 对于电子和质子这样的粒子 – 被称为费米子 – 来说, 这恰好是可以做到的。 但自然界中还存在另外一类粒子 – 被称为玻色子, 它们并不满足泡利不相容原理。 对于那样的粒子, 狄拉克有关反粒子的描述就无能为力了。 不仅如此, 按照狄拉克的描述, 正反粒子的产生必须是成对的, 因为一个新粒子的产生必定会留下相应的空穴 – 即它的反粒子, 反过来, 新空穴的出现也只能是由于相应粒子的产生 (即脱离负能量状态)。 但实验却表明这种粒子与相应反粒子的 “双宿双飞” 并不普遍成立。 比方说在 β 衰变中, 电子的出现就并不伴随反电子。 因此狄拉克对反粒子的描述细究起来并不正确, 这一点不仅被许多科普读物所忽视, 甚至在一些现代教科书中都没有加以明确的说明, 这是不应该的。 对反粒子的普遍描述, 是在量子场论出现之后才建立起来的。 不过狄拉克对反粒子的描述虽然并不正确, 它所包含的一些基本结论, 比如反粒子与相应的粒子质量相同, 所带电荷及若干其它量子数相反, 正反粒子可以相互湮灭等, 却是普遍成立的, 并且它的提出对量子场论的产生起到过启发作用, 从这个意义上讲它对物理学的发展功不可没。

三. 走错方向的电子还是走对方向的正电子?

与反粒子理论的曲折发展同样生动坎坷的是实验物理学家们发现反粒子的故事。 对于实验物理学家来说, 这个故事多少带着点遗憾, 因为其实早在狄拉克提出反粒子概念之前, 反粒子就已经在实验室里留下了踪迹, 却被实验物理学家所忽略, 这才让理论物理学家捷足先登。

在二十世纪三十年代, 物理学家们探测带电粒子径迹的主要工具是云室。 云室不仅可以显示带电粒子的径迹, 通过将云室放在磁场中, 还可以进一步判断粒子所带电荷的正负, 因为正负性不同的电荷在穿过磁场时会向不同方向偏转。 早在狄拉克提出反粒子概念之前, 实验物理学家们就在云室照片中发现过一些类似于电子, 却与电子有着相反偏转方向的径迹。 这些径迹其实正是反电子掠过云室留下的倩影。 可惜就象狄拉克起初不敢把空穴诠释成反电子一样, 实验物理学家们也未曾想到把那些反常的径迹诠释成一种新的粒子, 从而错失了先于理论而发现反电子的机会。

直到狄拉克提出空穴是反电子之后, 云室中的那些反常的径迹才引起了一些实验物理学家的重视。 英国卡文迪许实验室的物理学家布莱克特 (Patrick Blackett) 最早告诉狄拉克说自己与同事可能已经发现了这种新粒子存在的证据。 但即便有狄拉克当出头鸟, 布莱克特仍不敢贸然发表自己的发现, 他打算做进一步的核实。 这一延缓把发现反电子的优先权拱手让给了大西洋彼岸的美国物理学家安德逊 (Carl Anderson)。

安德逊当时在美国西岸的加州理工大学从事宇宙射线研究。 与其他一些实验物理学家一样, 他也在自己的云室照片中发现了类似于电子, 却与电子有着相反偏转方向的径迹。 这样的径迹数量并不稀少, 这一点引起了安德逊的重视, 于是他把这一发现告诉了当时正在欧洲进行访问的导师密立根。 密立根也是一位实验物理大师, 曾因测量电子电荷及光电效应方面的工作获得 1923 年的诺贝尔物理学奖。 他认为安德逊所发现的径迹是质子产生的。 质子所带的电荷与电子相反, 因此可以解释观测到的偏转方向与电子相反这一事实。 但密立根的质子解释有一个致命的弱点, 那就是象质子这样的重粒子在云室中的径迹应该远比象电子这样的轻粒子来得显著。 可是安德逊所发现的径迹却并未显示出这种差异, 因此密立根的质子解释很快被排除了。

另一方面, 安德逊自己也提出了一种解释, 他认为偏转方向与电子相反的径迹有可能是由反方向运动的电子产生的, 这种解释也曾经被欧洲物理学家们用来解释类似的径迹。 单纯从径迹的偏转方向上讲, 它的确可以说得通。 但安德逊的反向电子解释也有一个令人困惑的地方, 那就是他所研究的是宇宙射线, 而宇宙射线应该来自天空, 从而应该都是自上而下穿越云室的, 既然如此, 反方向运动的电子又从何而来呢? 显然, 解决这一疑问最直接的办法就是对电子运动的方向进行直接验证。 为此, 安德逊在自己的云室中间插入了一片薄薄的铅板。 由于粒子穿过铅板速度会变慢, 因此只要对粒子在铅板上下的速度大小进行比较, 就可以判断粒子的运动方向[注四]。 通过这一手段, 安德逊发现绝大多数偏转方向与电子相反的粒子都和电子一样来自天空, 也就是说它们的运动方向与电子是相同而不是相反的。 这就把安德逊自己的反向电子解释也排除了。

这两种解释都被排除了, 留给安德逊的就只剩下一种解释了: 那就是这是一种带正电、 质量却远比质子轻的粒子 – 一种尚不被实验物理学家所知的新粒子。 但这种解释也有一个问题: 那就是这样一个质量不大的新粒子为什么以前一直未被发现呢? 如果安德逊知道狄拉克的空穴理论, 他或许会想到那是因为这种粒子是反电子, 它很容易因为与电子相互湮灭而从人们眼皮底下消失。 可当时安德逊并不知道狄拉克的空穴理论, 因此这唯一的解释看起来似乎也不太可能。 不过看起来不太可能和完全不可能终究是有差别的, 福尔摩斯有一句虽不严谨但很管用的名言: 当你排除了所有不可能的解释, 剩下的无论看起来多么不可能, 一定就是真理。 安德逊知道这时不应该犹豫了, 于是他不顾密立根的反对于 1932 年 9 月公布了自己的发现。 四年后, 这一发现为他赢得了诺贝尔物理学奖。

安德逊发现新粒子的消息一传到欧洲, 布莱克特和他的同事立刻意识到自己犯下了迟疑不决的兵家大忌, 他们已经发现却未敢发表的显然正是同样的粒子。 于是他们立刻也发表了自己的结果。 他们虽不幸在时间上落后于安德逊, 却有幸在空间上占据了一个有利条件, 那就是他们离狄拉克很近。 安德逊虽然发现了新粒子, 却不知道它和电子的关系, 而布莱克特和他的同事不仅知道新粒子和电子的关系, 还知道它和电子可以成对产生, 于是他们在自己的云室照片中有意识地寻找这种产生过程的证据, 并如愿以偿地成为首先发现正反粒子对产生过程的物理学家[注五]

在这些成果的发表过程中, 反电子获得了一个新的、 后来更为流行的名称: 正电子 (positron)。 这一名称是一位杂志编辑向安德逊建议的, 它的本意是 “正子” (当时安德逊并不知道这一粒子与电子有关)。

四. 从反粒子到反物质

正电子是人类发现的第一种反粒子。 由于其它反粒子在宇宙线及天然放射源中都比较稀少, 而早期加速器的能量又不足以产生它们, 因此自那以后发现反粒子的步伐停顿了下来, 直到二十几年后才迎来了一阵美妙的爆发。 1955 年, 赛格雷 (Emilio Segrè)、 张伯伦 (Owen Chamberlain) 及其合作者发现了反质子 (赛格雷和张伯伦获得了 1959 年的诺贝尔物理学奖); 次年考克 (Bruce Cork) 及其合作者又发现了反中子。 至此组成物质的三种最重要粒子的反粒子都被发现了。 此后, 其它基本粒子的反粒子也被陆续发现 – 当然, 后来的那些发现对物理学家们来说已毫无悬念, 因为在理论上, 除少数粒子与其反粒子相同外, 所有其它粒子都应该有自己的反粒子。

不过尽管随着加速器能量的持续提高, 反粒子的发现和产生已不再稀罕, 但反粒子很容易被 “正” 粒子所湮灭, 因此它们的保存是一个极大的技术难题。 直到二十世纪八十年代, 物理学家们才开始掌握保存少量反粒子的手段。 有了保存少量反粒子的手段, 下一个目标显然就是保存大量的反粒子, 这又是一个极大的技术难题。 因为带同种电荷的反粒子相互排斥, 中性的反粒子又不稳定。 要想积累反粒子, 比较可行的手段是让带不同电荷的反粒子象普通粒子配成原子那样配成中性的反原子。 但是让那些极易湮灭, 通常又高速运动的反粒子乖乖地组成原子又谈何容易? 这项工作直到 1995 年才由德国物理学家欧勒特 (Walter Oelert) 领导的实验小组所完成, 他们在欧洲核子中心的低能反质子环上成功地制备出了九个反氢原子。 虽然只有区区九个 – 与普通原子动辄就是几个摩尔 (一摩尔约有六千万亿亿个) 的海量相比少得简直不值一提, 但这一消息 1996 年初一经披露立即引起了世界性的轰动。 许多大媒体用显著的标题进行了报道, 欧勒特本人也受到了媒体记者的 “围追堵截”, 有记者甚至试图把欧勒特从飞机上拦截下来进行采访。 反氢原子的制备之所以引起媒体如此广泛的关注, 是因为原子和分子是承载物质物理和化学性质的基本组元。 从这个意义上讲, 反氢原子的成功制备是人类有史以来首次制备出了反物质, 此前所研究的只能称为是反粒子而不是反物质。 对媒体来说这无疑是一个极大的兴奋点。

不过欧勒特制备反氢原子虽是欧洲核子中心有史以来最受媒体关注的新闻之一, 但该中心的粒子物理学家们却大都只是将之视为实验工艺上的成就, 有人甚至戏称其为 “新闻实验”。 因为从理论上讲, 由反粒子组成反原子乃是稀松平常之事; 而从技术上讲, 欧勒特制备的反氢原子不仅数量稀少, 存在的时间也短得可怜, 只有一亿分之四秒, 距离实用无疑还差十万八千里。 欧勒特实验成功后的第二年, 欧洲核子中心关闭了为这一实验及其它三十几个实验立下过汗马功劳的低能反质子环。这个低能反质子环在它服役的十四年间总共产生了超过一百万亿个反质子。 如果把这些反质子全部当成反物质燃料与质子湮灭, 它们所产生的能量大约可以让一盏一百瓦的灯泡点亮五分钟[注六]。 将这点微不足道的能量与十四年间为产生这些反质子而消耗的巨大能源相比, 我们可以看到用反物质作为能源在目前还是极度地得不偿失。

但这些技术上的困难并不妨碍人类的想象力将反物质作为未来可能采用的一种能源。 这种能源除了具有理论上最高的转化效率外, 还有一个非常吸引人的优势, 那就是洁净。 我们知道, 传统的能源, 无论是化学能还是核能, 通常都会在使用后产生有害的残留物, 比如废气、 核废料等, 而正反物质的湮灭却可以将燃料彻底转化为能量, 从而不留下任何残留物质, 因此它是一种理论上最洁净的能源。 这样既洁净又高效的能源不仅是科幻小说家的最爱, 对于工程和军事领域来说也有着无穷的魅力。 早在二十世纪中叶, 美国和前苏联的氢弹之父就各自提出过反物质武器的可能性。 在美苏冷战的后期, 伴随星球大战计划的展开, 美国军方开始了反物质应用方面的研究。 这些在当时技术条件下近乎于军事大跃进的研究计划后来随着前苏联的解体和冷战的落幕而下马了。

到目前为止, 反物质除了基础物理研究外, 主要的应用领域是在医学影像方面。 就人类目前所能达到的技术水平而言, 依靠人工制备的反物质作为能源还是很不现实的想法, 因为制备反物质所需的能量投入远远超出了可能的能量产出。 不过如果我们放任自己的想象力的话, 希望总是有的。 比方说, 假如宇宙中存在足够规模的天然反物质源, 情况就将有所不同, 因为那样我们就不必为制备反物质而费心了 (虽然高效而安全地收集和保存反物质仍将是极具难度的挑战)。 这就给科学家们提出了一个很大的问题, 那就是: 宇宙中有可能存在那样的反物质来源吗?

五. 宇宙的主人和客人

物理学家们曾经对这一问题作出过肯定的猜测。 狄拉克在他的诺贝尔演讲中就曾表示, 如果正反物质是完全对称的, 那么宇宙中完全有可能存在由反物质组成的星球。 如果将这种猜测发挥一下, 那么我们还可以设想宇宙中不仅存在由反物质组成的星球, 甚至有可能存在由反物质组成的生物。 另一方面, 在宇宙大爆炸初期的极高温条件下, 正反物质的产生应该是同等可能的, 从这个角度讲似乎也有理由预期宇宙中存在大量的反物质, 甚至在数量上与物质等量齐观。 但随着理论和观测的逐步深入, 这些初看起来不无合理性的猜测渐渐暗淡了下来。

首先可以明确的一点是: 由于反物质与物质会相互湮灭, 因此在我们所生活的这颗小小星球上, 象发现煤矿或铀矿那样发现 “反物质矿” 是完全不可能的。 不仅如此, 反物质在整个太阳系中的存在也是微乎其微的, 因为否则的话, 由太阳发出, 被称为太阳风的粒子流与反物质之间的湮灭早就应该被发现了。 再往远处看, 情况也没有实质的改变, 虽然宇宙射线中存在一定数量的反粒子, 有些地方甚至存在反粒子源, 但那些反粒子大都来自普通物质所参与的高能物理过程。 迄今为止并无任何确凿证据表明宇宙中可能存在反物质星球或任何其它的大范围反物质分布。

事实上, 不仅没有确凿证据表明宇宙中存在大范围的反物质分布, 相反却有不少证据表明大范围的反物质分布不太可能存在。 这种证据之一来自于宇宙中重子 (主要是质子和中子) 数量和光子数量的比值。 我们知道, 极早期宇宙中充斥着各种基本粒子, 它们随时被高能物理过程所产生, 也随时相互湮灭。 当宇宙的温度逐渐降低时, 粒子的产生过程开始受到抑制, 因为它们所需的能量越来越难以达到。 对于重子和反重子来说, 这大致发生在宇宙温度为十万亿度的时候。 在这个温度以下, 湮灭过程起到主导作用, 重子与反重子很快因为彼此湮灭而转变为光子或其它轻粒子。 在那样的过程中重子与反重子变得越来越少, 直至其密度低到连湮灭过程也无法有效进行为止, 那时仍残留的重子就组成了我们今天所生活的物质世界 (由此可见我们的物质世界是多么地来自不易)。 这种过程所导致的一个直接后果, 就是今天宇宙中的重子数远远少于光子数。 很显然, 早期宇宙中的重子与反重子越对称, 这种湮灭过程就会进行得越彻底, 今天宇宙中的重子数相对来说也就会越少。 观测表明, 今天宇宙中的重子数与光子数之比大约为一比十亿。 这虽然已经是一个很小的比例, 但如果湮灭过程开始起主导作用时宇宙中重子与反重子是完全对称的话, 这个比例还要小得多。 计算表明, 在那种情况下这个比例将会是一比一百亿亿。 因此, 我们所观测到的重子数与光子数之比是一个很有力的证据, 它表明早期宇宙中的重子与反重子是不对称的, 而我们赖以生存的物质世界正是这种不对称性的产物, 是一个反物质极为稀少的宇宙。

有读者可能会问, 是否有可能出现这样的情况, 即早期宇宙中重子与反重子完全对称, 只不过因为某种原因彼此分离了开来, 从而没有发生有效的相互湮灭? 如果这样, 那就既可以保持物质与反物质的对称性, 又可以解释为什么我们观测到的重子数与光子数之比远比由对称性所预期的一比一百亿亿来得高。 物理学家们曾经考虑过这样的可能性, 但这种猜测有两个致命的弱点: 一是没有任何已知的物理过程可以将随机产生的重子和反重子有效地加以分离; 二是如果早期宇宙中真的存在过这种正反物质分离的情况, 那么正反物质的湮灭在空间分布上将是高度非均匀的, 这将会在今天的宇宙微波背景辐射中留下遗迹。 这样的遗迹并未被发现, 因此这种可能性也可以基本被排除。 因此无论观测还是理论都表明: 我们今天所生活的宇宙是一个正反物质不对称的宇宙, 物质是这个宇宙的主人, 反物质只是稀客。

六. 恼人的不对称之谜

既然我们今天所生活的宇宙是一个正反物质不对称的宇宙, 那么一个很自然的问题就是: 为什么会出现这种不对称? 对此, 科学家们曾经有过两类不同的看法。 其中第一类看法认为正反物质的不对称是由初始条件决定的, 或者说是 “先天” 造就的。 显然, 这类看法比较消极, 几乎等于是回避问题。 令人欣慰的是, 这种 “偷懒” 的看法在暴胀宇宙论出现后受到了沉重的打击。 因为按照暴胀宇宙论, 宇宙创生之初即便存在任何正反物质间的不对称性, 也会在暴胀过程中被稀释得微乎其微。 因此初始条件并不能对今天观测到的正反物质不对称性给出令人满意的解释。

既然初始条件不足以解释正反物质的不对称性, 那我们就只能寄希望于具体的物理过程了, 这就是第二类看法。 这类看法认为宇宙的初始条件是正反物质对称的, 我们今天观测到的不对称是由某些特定类型的物理过程产生的。

那么究竟什么样的物理过程才能造成正反物质的不对称呢? 早在 1967 年, 俄国氢弹之父萨哈洛夫 (Andrei Sakharov) 就提出了三个条件:

  1. 必须破坏费米子数守恒。
  2. 必须破坏 C 和 CP 对称性。
  3. 必须破坏热平衡。

这些条件后来被称为萨哈洛夫条件, 它们是任何能够产生正反物质不对称的物理过程或物理理论必须满足的。

萨哈洛夫条件中的第一条提到的费米子是组成物质的基本粒子, 比如电子、 质子和中子 (进一步细分的话, 质子和中子是由夸克组成的, 而夸克也是费米子)。 所有费米子的费米子数都是正的, 而反费米子的费米子数则是负的。 如果宇宙中的正反物质完全对称, 那么总费米子数将是零。 由于我们的宇宙中普通物质远比反物质多, 因此总费米子数是正的。 任何物理过程或物理理论要想让宇宙从正反物质完全对称 (从而总费米子数为零) 的状态演化到如今这个费米子数为正的状态, 就必须改变总费米子数, 从而必须破坏费米子数守恒。

萨哈洛夫条件中的第二条提到的 C 和 CP 对称性分别是基本粒子层次上的正反粒子对称性及正反粒子与宇称联合对称性。 其中正反粒子对称性要求将一个物理过程中的所有粒子 (反粒子) 替换成相应的反粒子 (粒子) 时过程发生的几率不变。 正反粒子与宇称联合对称性指的则是在上述替换的同时再将物理过程换成它的镜像 (好比是透过一面反射镜去看它), 过程发生的几率也不变。 这两个对称性之所以必须被破坏, 是因为否则的话, 任何可以造成物质多于反物质的物理过程都会伴随一个与它同样可能的、 造成反物质多于物质的过程 (即上述替换过程), 这样两类过程的效果将会相互抵消。

最后, 萨哈洛夫条件中的第三条之所以必须满足, 是因为否则的话, 任何可以造成物质多于反物质的物理过程都将与处在热平衡的逆过程相互抵消。

这三个条件虽然被称为萨哈洛夫条件, 不过萨哈洛夫本人在其长度只有三页的短文中其实并未如此鲜明地表述过这三个条件, 这些条件是后人依据他的思路所归纳及重新表述的。

在这三个条件的基础上, 物理学家们提出了许多理论模型, 试图对正反物质不对称的起源作出定量解释。 这些模型从相对简单的电弱统一理论 (它是粒子物理标准模型的一部分), 到各种各样的大统一理论, 从及标准模型的超对称推广, 种类繁多、 应有尽有。 但迄今为止, 它们各自都存在着一定的缺陷, 或是结果的数量级不对, 或是求解的困难度太大、 或是过于特设、 或是过于任意, 其中尚未产生一个能够技压群芳的标准解释。 不过尽管不存在任何标准解释, 但现代物理为正反物质的不对称找到一个合理解释的前景看来是比较光明的。

七. 结语

限于篇幅, 我们有关反物质的介绍到这里就要结束了, 虽然自人类发现反粒子迄今已有大半个世纪, 但在理解物质与反物质的关系上还存在许多待解之谜。 除了宇宙学尺度上正反物质的不对称外, 在微观尺度上正反粒子也存在着令人困惑的不对称。 物理学家们曾经认为, 如果我们把一个微观物理过程中所有的粒子 (反粒子) 都替换成相应的反粒子 (粒子), 并且透过一面镜子去看它, 那么我们所看到的新过程将与原过程有着相同的发生几率。 这种对称性就是我们介绍萨哈洛夫条件时提到的 CP 对称性。 由于这种对称性, 反物质有时也被称为镜像物质。 但令人困惑的是, 这一对称性既非完全成立, 也非完全不成立, 而是非常接近成立[注七]。 大自然为什么要让这面特殊的镜子如此接近完美却又不让它真正完美呢? 我们不知道。

反物质是宇宙中的稀客, 但这稀客是从相对意义上讲的, 宇宙中反物质的绝对数量依然是极其庞大的, 足以为科幻小说留下巨大的驰骋空间, 这是值得庆幸的。 只不过, 反物质星球的存在看来是极不可能的, 因为没有任何天然的物理过程能够有效地让反物质汇集起来, 并在这一过程中免遭物质的 “致命骚扰”。 而反物质生物的存在则比反物质星球更加不可能得多, 因为即便存在反物质星球, 在那种星球上要想演化出生物来也是难以想象的。 我们知道, 即便在距离太阳系形成已有五十亿年、 太阳系空间已相当 “清澈” 的今天, 地球每天仍会受到有上千万次的陨石撞击 (这些陨石绝大多数在大气层中烧毁, 只有少数落到地上, 因此我们不必担心它们会恰好砸在我们头上), 这些陨石的总质量约有几吨。 这样的质量对于庞大的地球来说无疑是微乎其微的, 但同样的情形如果发生在一颗反物质星球上, 那么这几吨的陨石 (普通物质) 与星球上的反物质湮灭所释放的能量将相当于上百万颗广岛原子弹爆炸所释放的能量[注八]。 要在一个每天被上百万颗原子弹轰击的星球上产生生物, 这恐怕是最高级的想象力也难以胜任的。 因此, 如果有朝一日我们与某种外星球的高等生物建立了联系, 我们可以大大方方地伸出手去和他们相握 (如果握手对他们来说也代表友善的话), 而不必担心大家会在这样的亲密接触中相互湮灭[注九]

 

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注释

[注一] 比狄拉克稍早, 克莱因 (Oskar Klein)、 高登 (Walter Gordon) 及薛定谔 (Erwin Schrödinger) 也提出了一个试图融合量子力学与相对论要求的方程, 被称为克莱因-高登方程。 但克莱因-高登方程具有一些当时看来令人不易接受的特征, 延后了它被真正重视的时间。

[注二] 其实在经典相对论力学中也存在负能量状态的问题。 但在经典情况下我们可以摒弃负能量状态而不用担心它们对正能量状态产生影响, 因为这两者之间存在一个非零的间隙 (请读者想一想对于电子来说这一间隙有多大?), 而经典的物理过程都是连续的, 从而不可能跨越这一间隙。

[注三] 正反粒子的湮灭产物可以是多种多样的 (参与湮灭的正反粒子的质量越大、 能量越高, 湮灭产物的种类通常就越多), 但在低能湮灭 – 尤其是轻粒子的低能湮灭 – 过程中有很大的几率会产生光子对。

[注四] 在云室中比较同一种带电粒子的速度快慢十分容易: 速度慢的粒子比速度快的粒子容易被磁场偏转, 因此通过比较粒子径迹的偏转幅度 (确切说是曲率) 就可以比较它们的速度快慢。

[注五] 值得一提的是, 中国物理学家赵忠尧早在 1929 至 1930 年间 (当时他和安德逊都在加州理工大学跟随密立根从事实验物理研究) 就在研究硬 γ 射线穿越物质时, 观测到了后来被证实是源于正负电子对产生的反常吸收效应, 以及源于正负电子对湮灭的特殊辐射 – 虽然这些实验并未直接观测正电子。

[注六] G. Fraser 的《Antimatter: The Ultimate Mirror》一书对这一能量作了错误的估算。

[注七] 在 1957 年以前, 物理学家们想当然地认为所有这类离散对称性都是严格的, 直到 1957 年宇称对称性倒下后, 才开始对离散对称性进行区分, 但它们大都象多米诺骨牌似地倒下了。 CP 是倒得比较慢的一个, 前后也只经过了七年。

[注八] 有读者可能会问: 为什么不干脆假定那些陨石也是反物质? 从纯粹假定的角度上讲, 自然是可以的, 但我们的讨论有一个前提, 那就是承认我们这个宇宙 – 如目前的理论与观测所表明的 – 是一个物质为主的宇宙。 在这样的宇宙中, 越是大尺度的反物质分布就越不可能。 因此我们对反物质出现的尺度只做 minimal 的假定。

[注九] 不过, 如果我们真的担心他们有可能是反物质构成的, 也有办法在见面之前加以确认, 确认的方法就是利用前面提到微观世界正反粒子之间的不对称性。 李政道在其教材《Particle Physics and Introduction to Field Theory》(有中文版) 的第 9.2 节中对这一问题作了饶有趣味的论述, 感兴趣的读者可以参阅。

参考文献

  1. G. Börner, The Early Universe (Springer-Verlag, 1993).
  2. J. M. Cline, Baryogenesis, hep-ph/0609145.
  3. G. Fraser, Antimatter: The Ultimate Mirror (Cambridge University Press, 2000).
  4. R. D. Peccei, Matter-Antimatter Asymmetry in the Universe and an Arrow for Time, hep-ph/0608226.
  5. A. Riotto and M. Trodden, Recent Progress in Baryogenesis, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 49 35-75 (1999).
  6. S. S. Schweber, QED and the Men Who Made It, (Princeton University Press, 1994).
  7. S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields vol. 1 (University of Washington Press, 1994).

sidneyzhang

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3 Responses

  1. MARC SUN说道:
    除了在科幻电视剧里得到些皮毛之外,还一直没有搞明白反物质到底是怎么回事,这下好了,研究一下去。
  2. Sidney 张良益说道:
    你是第三个说会晕倒的人了。。。。我真得这么差劲?
  3. ♤炸弹人♠说道:
    天。。。原来你们的日志和我们的截然不同啊。。- =
    彻底晕掉啦。。这里要是可以发表情就好啦。。呵呵
     

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