反物質(zhì)之謎

1908年6月30日早晨7點17分，在俄國荒涼的西伯利亞通古斯地區(qū)發(fā)生了一次巨大的爆炸。爆炸的火球讓天空中的太陽都顯得暗淡無光，2000平方公里的森林被燒掉，幾千棵大樹被連根拔起。附近僅有的幾棟農(nóng)舍全遭摧毀，里面的銀器都因高溫而溶化了。據(jù)估計，這次爆炸的威力相當于摧毀廣島的原子彈的1000倍！幸好爆炸地點非常偏遠，離最近的城市也有800公里之遙，因而沒有造成太大的損失。至于爆炸的原因則眾說紛紜，被比較普遍接受的觀點是來自外太空的巨大隕石的撞擊所引起。但是這種解釋有一個問題，隕石撞擊應該留下一個像月亮上的環(huán)形山那樣的巨大隕石坑，而在爆炸地點卻看不到。1965年，利比（W.F.Libby，1908- 1980，獲1960年諾貝爾化學獎）、科溫（Clyde Cowan，1919- 1974，本應獲得諾貝爾物理獎，由于早逝而未能得到）和阿特勒瑞（C.R.Atluri）在英國《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，提出一個全新的觀點——通古斯大爆炸是由外太空來的反物質(zhì)引起的。反物質(zhì)是什么？這必須從狄拉克和他的相對論量子力學說起。

狄拉克（Paul Dirac，1902- 1984）是20世紀最偉大的物理學家之一。他恐怕還不僅是一般意義上的天才，他對物理的洞察力讓同時代的其他天才都自嘆弗如。就連量子力學的奠基人之一，當時在物理界如日中天的海森堡（Werner Heisenberg，1901- 1976，獲1932年諾貝爾物理獎）都對他退避三舍。在一封給泡利（W.E.Pauli，1900- 1958，獲1945年諾貝爾物理獎）的信里，海森堡說：“為了不持續(xù)地被狄拉克所煩擾，我換了一個題目做，得到了一些成果?！毖韵轮馐撬辉敢夂偷依嗽谕粏栴}上競爭。然而狄拉克對這些似乎并不自知，即使知道了大概也不會當回事。對于出名，狄拉克是避之唯恐不及。1933年，當他得知自己獲得諾貝爾物理獎后，曾對核物理之父盧瑟福（Ernest Rutherford，1871- 1937，獲1908年諾貝爾化學獎）表示他不想出名，想拒絕這個榮譽。不過，盧瑟福的勸說很具說服力，“如果你真做，你會更出名，人家更要來麻煩你?！睘榱瞬恢痢案雒保缓霉怨缘厝ヮI獎。狄拉克還有一大特點，就是潛心學問，一向少言寡語。據(jù)說有一次他出席劍橋大學的一個宴會，正好坐在同樣沉默寡言的小說家福斯特（E.M.Forster，1879- 1970）旁邊，在長時間無言以對之后，狄拉克終于轉(zhuǎn)過頭問了一句“山洞里發(fā)生了什么？”意指福斯特的小說《印度之旅》中的某個情節(jié)。福斯特良久沒有答話，直到宴會即將結束、甜點上桌時，他才蹦出一句“我不知道”。

狄拉克原本是學數(shù)學的，有一次偶然選了一門由一位哲學教授講的關于愛因斯坦相對論的課，盡管從課堂上沒學到多少東西，卻把他的興趣從數(shù)學引向了物理。他立即決定申請到著名的劍橋大學的研究生院去學物理。在劍橋，狄拉克學習了量子論創(chuàng)始人玻爾（Niels Bohr，1885- 1962，獲1922年諾貝爾物理獎）的原子理論之后，一個奇妙的想法讓他如醉如癡：將狹義相對論與量子論結合在一起，從而獲得對微觀粒子的性質(zhì)更準確、更完美的描述。相對論和量子論是近代物理學的兩大基石。狹義相對論主要是描述宏觀世界中空間與時間的關系及物體高速運動時的規(guī)律的理論。量子論則是研究微觀世界里物理現(xiàn)象的理論。要把兩者結合到一起可不是一件容易的事。狄拉克每天花大量的時間一邊散步一邊沉思，夜深人靜時再在紙上演算和推導?？墒窃诤荛L一段時間里，他的研究毫無進展，作為出發(fā)點的克萊因-戈登方程總是把他領入死胡同。終于有一天，在1928年一個寒冷的夜晚，當他坐在劍橋圣約翰學院一間酒吧的壁爐前冥思苦想時，突然靈光一閃（也許這就是禪宗所謂的頓悟吧）明白了問題的癥結所在——克萊因-戈登方程中與時間相關的部分是不正確的。于是，著名的狄拉克方程誕生了！這個方程不但在物理學里占有極重要的地位，對化學以及很多如今被廣泛應用的新技術（例如醫(yī)院里通用的核磁共振成像技術）都有著不可估量的影響。按華裔物理學大師楊振寧的說法，狄拉克方程“是驚天動地的成就，是劃時代的里程碑”。

當?shù)依藢⑺闹匠虘玫诫娮由蠒r，他很快就發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的事實：在方程的解里面，不但有準確描述電子特性的解，同時還存在對應于負能量狀態(tài)的解！我們都知道在現(xiàn)實世界里能量只可能是正的。面對類似情況，一般的物理學家可能會懷疑方程本身有誤或認為這些負能解只是一種純數(shù)學的非物理解而不去管它。但狄拉克不是一般的物理學家。在判斷一個物理理論是否正確的標準上，他和愛因斯坦是一黨，他們都以理論優(yōu)雅（elegance）與否為最高準則。28歲就成為蘇聯(lián)科學院院士的伽莫夫（Geoge Gamov，1904- 1968）半開玩笑地總結了他們這一派人所信奉的四大信條：一、如果一個優(yōu)雅的理論與實驗相符，其正確性毋庸置疑；二、如果一個優(yōu)雅的理論與實驗不符，實驗肯定是錯的（海森堡公理）；三、如果一個不優(yōu)雅的理論與實驗不符，事情則還有可為——通過改進理論有可能使它與實驗相符（玻爾修正案）；四、如果一個不優(yōu)雅的理論與實驗相符，事情就沒指望了（伽莫夫觀念）。什么樣的理論是優(yōu)雅的呢？按愛因斯坦的說法，這理論應該“盡可能的簡單，但卻不能再行簡化”。狄拉克方程是非常優(yōu)雅的，因而狄拉克對它的正確性絕對有信心，同時他也相信負能量解一定有它的深刻涵義。經(jīng)過縝密的思考，他于1931年斷言負能量解實際上對應的是與電子相反的另一種粒子。他將其稱為空穴，負能量的空穴在現(xiàn)實世界里看起來就是具有正能量的反粒子。電子帶負電荷，與電子對應的反粒子就應該帶有數(shù)量相等的正電荷。剛開始，狄拉克以為質(zhì)子（構成原子核的基本粒子之一）就是電子的反粒子，不過他很快就意識到雖然質(zhì)子帶有數(shù)量與電子相等的正電荷，但質(zhì)子的質(zhì)量比電子大太多，因而它們不可能是一對粒子-反粒子。他最后的結論是一定存在一種電荷與電子相反、質(zhì)量與電子相同的新粒子——反電子（后來被更名為正電子）。這個大膽的預言立刻在物理界掀起了軒然大波，大多數(shù)人都持懷疑態(tài)度，甚至有人將反粒子理論作為開玩笑和嘲弄的對象。可出乎所有人的預料，僅僅一年之后安德森（C. D. Anderson，1905- 1991，獲1936年諾貝爾物理獎）就在研究宇宙線（從外太空來的高能粒子）時發(fā)現(xiàn)了正電子！從此人們開始接受反物質(zhì)的存在。狄拉克后來又進一步預言所有的基本粒子都有與它們對應的反粒子，比如有質(zhì)子就應該存在反質(zhì)子。反質(zhì)子果然在1955年被塞格雷（Emilio Segre，1905- 1989）和張伯倫（Owen Chamberlain，1920- 2006）發(fā)現(xiàn)，這為他們贏得了1959年的諾貝爾物理獎。

當反物質(zhì)遇到物質(zhì)，比如正電子遇到電子，它們就會湮滅并釋放出能量。根據(jù)愛因斯坦的著名公式E=mc2，即使質(zhì)量m很小，由于光速c的數(shù)值很大，釋放出的能量E也是極為可觀的。這就是前面提到的利比等人用反物質(zhì)來解釋通古斯大爆炸的理論基礎。

認識到反物質(zhì)的存在，使人們對物理世界的了解向前跨出了一大步。楊振寧曾把狄拉克這一大膽的、獨創(chuàng)性的預言比之為負數(shù)的首次引入，“負數(shù)的引入擴大并改善了我們對于整數(shù)的理解，它為整個數(shù)學奠定了基礎，狄拉克的預言擴大了我們對于場論的理解，奠定了量子電動場論的基礎”。但是有一件事始終令物理學家們疑惑不解：按照當下流行的大爆炸宇宙論（宇宙是由一個致密熾熱的奇點，于150億年前一次大爆炸后膨脹形成），宇宙生成之初物質(zhì)和反物質(zhì)應是對稱的，簡單說就是物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量在開始時應該一樣多。為什么我們看到的宇宙卻是一個只有物質(zhì)的宇宙？反物質(zhì)都跑到哪里去了？于是就有了各種各樣試圖解釋這個現(xiàn)象的理論。

理論之一是，在大爆炸產(chǎn)生了我們所在的以物質(zhì)為主的宇宙時，也同時產(chǎn)生了一個對應的以反物質(zhì)為主的反宇宙。這個理論基本上是無法驗證的，因為宇宙和反宇宙是不聯(lián)通的。如果一定要找到某種聯(lián)通的途徑，只能是通過更高維的空間（我們生活在三維空間中）或玄之又玄的所謂“蟲洞”。這些東西實在有點太過玄妙，在這里不談也罷。

另一個理論認為可能存在與物質(zhì)的星云、星系等等相對應的反物質(zhì)的星云、星系，它們共存于同一個宇宙中，由于相隔遙遠，所以不會撞到一起而湮滅。如果真是那樣，一些來自“反世界”的反原子核就有可能飛到地球來。這些反原子核一旦與大氣層遭遇就會湮滅，所以要想探測到它們，只可能在大氣層的邊緣或之外。斯穆特（G.F. Smoot III，1945- ，獲2006年諾貝爾物理獎）和他的同事們曾經(jīng)用巨型氣球把探測反原子核的實驗裝置升到大氣層的邊緣，經(jīng)過幾年的持續(xù)觀測，他們只測到了一次像是反氧原子核的實例。在運用復雜的統(tǒng)計方法進行分析之后，他們得出這個觀測結果的可信度為75%?？上в捎谶@只是一個再也沒能被重復的孤立事件，斯穆特等人無法據(jù)此達成任何定論。

按照計劃，明年2月27日美國的奮進號航天飛機將把由著名華裔物理學家丁肇中（1936- ，獲1976年諾貝爾物理獎）主導研制的阿爾法磁譜儀（AMS-02）送到國際空間站。阿爾法磁譜儀的建造花了15億美元，歷時16年。它的兩個主要目的之一就是探測反粒子（另一個是探測暗物質(zhì)）。阿爾法磁譜儀比斯穆特的裝置不知要先進多少倍。而對探測反粒子來說，空間站的環(huán)境比大氣層的邊緣又要理想很多倍。這兩項因素加在一起，使物理學家們對它抱有很大期望。

對于反物質(zhì)，目前比較通行的理論（嚴格說只能算是一種看法）認為，宇宙生成時物質(zhì)和反物質(zhì)確實是對稱的，但由于我們目前還不知道的機制，在宇宙發(fā)展的過程中，反物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)消失了，只剩下了物質(zhì)。歐洲核子研究組織的大型強子對撞器（簡稱LHC）專門設計了一個裝置LHCb（LHC的四個探測器之一），希望在不久的將來能解答有關反物質(zhì)的這個關鍵問題：在宇宙生成之初，反物質(zhì)與物質(zhì)是否真的有足夠的不同，而讓物質(zhì)在某個時間開始贏得了主導權并形成我們今天看到的宇宙。LHC是集20余國之力、耗時10多年、投資超過100億美元建造起來的世界上最大的粒子加速器，可以說是有史以來最龐大、最復雜的超級實驗裝置。它的主加速環(huán)就有將近27公里長，開動時，其耗電量相當于一座中等規(guī)模的城市。LHC在2008年開始運轉(zhuǎn)，于2013年達到最高設計能量。到那時，兩束被加速到百分之99.9999991光速的質(zhì)子將迎頭對撞，在瞬間產(chǎn)生出巨大的能量和極高的溫度，使人們能看到相當于宇宙處于最初（即大爆炸開始后）兩百萬億分之一秒（5x10-15秒）時的狀態(tài)。如果那時觀察到物質(zhì)與反物質(zhì)是對稱的，并且追蹤到其后物質(zhì)如何“戰(zhàn)勝”反物質(zhì)，物質(zhì)-反物質(zhì)之謎就能被徹底解開了。相反，如果觀察到物質(zhì)與反物質(zhì)是不對稱的，那就有兩種可能：其一是物質(zhì)與反物質(zhì)處于對稱狀態(tài)的時間比兩百萬億分之一秒更早，這就需要造更大的粒子加速器來驗證。其二是目前的大爆炸宇宙論有缺陷，需要物理學家們來進一步完善它（當然，也沒準得徹底推倒重來）。