新實驗證實，反物質(zhì)沒什么問題

編譯 劉牛

工作人員正在安裝一個包含反氫的磁場裝置，它是CERN反氫激光物理儀器的一部分

反物質(zhì)剛剛失去了一點魅力

物理學(xué)家知道，對于自然界中的每一種基本粒子，都存在一種反粒子——一個具有相同質(zhì)量和自旋，但帶有相等且相反電荷的“邪惡孿生體”。當(dāng)這些孿生粒子對相遇時，它們會相互湮滅，在接觸時釋放一道能量閃光。

在科幻小說中，反粒子能為曲速引擎提供動力。一些物理學(xué)家已經(jīng)在推測，反粒子正在被引力排斥，甚至在時間中穿越旅行。

歐洲核子研究中心（CERN）的一項新實驗將一部分猜想帶回到現(xiàn)實。實驗表明，在引力場中，反粒子就像我們其他人一樣會下落。“最重要的是，沒有免費的午餐，我們無法利用反物質(zhì)飄浮起來。”加州大學(xué)伯克利分校的喬爾 · 法揚斯（Joel Fajans）說道。

法揚斯博士是國際反氫激光物理儀器（ALPHA）合作組織的成員。這一組織設(shè)在CERN，由丹麥奧胡斯大學(xué)的粒子物理學(xué)家杰弗里 · 杭斯特（Jeffrey Hangst）主持。

法揚斯博士和他的同事們收集了約100個反氫原子，并將它們懸浮在磁場中。當(dāng)磁場強度緩慢減弱時，反氫原子就像十月的楓葉一樣飄落，并且下落的加速度，或者說重力加速度，和普通原子相同，約為9.8 m/s2。他們周三在《自然》雜志上發(fā)表了結(jié)果。

幾乎沒有物理學(xué)家對這一結(jié)果感到驚訝。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，物質(zhì)和能量的所有形式對引力的響應(yīng)都是相同的。“如果你走在物理系的走廊上，詢問物理學(xué)家，他們可能所有人都會說這一結(jié)果一點也不令人意外。” 加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家喬納森 · 沃特爾（Jonathan Wurtele）在大學(xué)發(fā)布的一份聲明中說道。正是他在十年前首次向法揚斯博士建議了這個實驗。“這就是現(xiàn)實。”沃特爾博士說。

他補充道：“但他們大多數(shù)人也會說，這個實驗必須要進行，因為你永遠(yuǎn)無法確定結(jié)果到底是什么，相反的結(jié)果將有重大的影響。”

鏡像世界

1928年，在自然界遵循數(shù)學(xué)的最令人驚訝的例子之一中，物理學(xué)家保羅 · 狄拉克（Paul Dirac）發(fā)現(xiàn)，描述電子的量子力學(xué)方程有兩個解。在一個解中，電子（這種粒子是化學(xué)和電學(xué)的主要工具）帶負(fù)電荷。在另一個解中，粒子則帶正電荷。

那種粒子是什么？狄拉克認(rèn)為它是質(zhì)子，但后來因原子彈而聞名的羅伯特 · 奧本海默（Robert Oppenheimer）提出，它是一種全新的粒子：正電子。正電子質(zhì)量和自旋與電子相同但帶有正電荷。兩年后，加州理工學(xué)院的卡爾 · 安德森（Carl Anderson）在宇宙線簇射中探測到了正電子，這一發(fā)現(xiàn)為他贏得了諾貝爾物理學(xué)獎。

反物質(zhì)的魅力由此而生。在原子核中占主導(dǎo)地位的帶正電質(zhì)子，與帶負(fù)電的反質(zhì)子相對應(yīng)。反電子被稱為正電子。同樣位于原子核中的中子有反中子。組成質(zhì)子的夸克也有反夸克，諸如此類。

理論上，可能存在由反生物居住的整個反世界。有這樣一個笑話，如果你遇上了你的反自己，那個人會伸出左手來握手，但你最好不要接受，否則你們倆都會爆炸。

對于科學(xué)家而言，反物質(zhì)的激動人心之處不僅僅在于補充命名怪異的粒子名單。對他們來說，研究反氫原子是檢驗一些關(guān)于自然界最深層假設(shè)的第一步。這些假設(shè)認(rèn)為，反物質(zhì)在外觀和行為上應(yīng)當(dāng)與普通物質(zhì)完全相同。

在過去的20年里，來自ALPHA小組的科學(xué)家一直在CERN收集反物質(zhì)。他們從CERN質(zhì)子同步加速器的碰撞中抽取高能反質(zhì)子，并將它們從光速減速到每秒數(shù)百米的速度，溫度降到約絕對零度以上15度。之后，將反質(zhì)子與由放射性鈉衰變產(chǎn)生的反電子（或正電子）云混合在一個由電場控制的所謂混合勢阱中。

普通氫是宇宙中最簡單和最豐富的元素，它由一個帶正電的質(zhì)子和一個帶負(fù)電的電子組成。ALPHA實驗生成了數(shù)個反氫原子：原子核是一個反質(zhì)子，一個正電子圍繞著它。

2002年，杭斯特博士報告稱，這些反氫原子在與普通氫原子相同的頻率和波長上發(fā)射和吸收光，正如愛因斯坦所預(yù)言的那樣。法揚斯博士說，從那以后，許多實驗都間接但強烈地表明反物質(zhì)也正常地受到引力作用。但是這些實驗并沒有定論，因為引力比用于操控反原子的電磁場強度的十萬億分之一還要弱。

瓶中的反物質(zhì)信息

在最新的實驗中，反氫原子被束縛在一個約25厘米長的金屬容器內(nèi)的磁場中。由于反氫原子像氫原子一樣攜帶著它們自身微弱的磁場，它們會從這個瓶子的內(nèi)壁反彈。

可以通過調(diào)節(jié)磁場來抗衡引力，使得反氫原子懸浮于瓶子中。在實驗中，當(dāng)磁場強度緩慢減弱時，反氫原子們最終逃離了磁場，并在瓶子內(nèi)壁上自我湮滅，化成一道閃光。據(jù)統(tǒng)計分析，約80%的閃光發(fā)生在瓶子內(nèi)壁的下方。這表明，引力通常會將反原子往下拉，就像它對普通物質(zhì)所做的那樣。

任何違背氫和反氫之間預(yù)期對稱性的結(jié)果都會撼動物理學(xué)的核心。

沃特爾博士說，那還沒有發(fā)生，這個實驗首次完成了對中性反物質(zhì)所受引力作用的直接測量，這是發(fā)展中性反物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的又一步。

但是，這一結(jié)果留下了另一個謎題。根據(jù)相對論和量子力學(xué)——兩個都能描述宇宙但似乎相互矛盾的理論——宇宙大爆炸本應(yīng)該產(chǎn)生相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們本應(yīng)該在很早以前就相互湮滅了。

然而，我們的宇宙全是物質(zhì)，除了宇宙射線簇和粒子對撞機碰撞的產(chǎn)物之外，找不到一點反物質(zhì)微粒。那么，究竟發(fā)生了什么？為什么宇宙包含了一些物質(zhì)而非什么都沒有？這個問題已經(jīng)被關(guān)注了近一個世紀(jì)之久。

三年前，日本的一項涉及奇異粒子中微子的實驗宣稱，中微子可能是理解宇宙不平衡的一條線索。在大型強子對撞機上，有一整套儀器，被稱為LHCb，致力于搜尋任何可能改變宇宙平衡的物質(zhì)與反物質(zhì)之間的差異。

當(dāng)被問及ALPHA實驗的結(jié)果能否給LHCb團隊提供任何見解時，沃特爾博士說：“由于我們的答案與正常引力一致，我不認(rèn)為它能給出任何線索，這很不幸。”這是表達(dá)我們?nèi)圆恢牢覀優(yōu)楹纬霈F(xiàn)在這里的另一種方式。

資料來源TheNewYorkTimes