反物質(zhì)之謎

正電子、負(fù)質(zhì)子都是反粒子，它們跟通常所說(shuō)的電子、質(zhì)子相比較，電量相等但電性相反?？茖W(xué)家設(shè)想在宇宙中可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，也就是反物質(zhì)。

電子和反電子的質(zhì)量相同，但有相反的電荷。質(zhì)子與反質(zhì)子也是這樣。那么中子與反中子的性質(zhì)有什么差別？其實(shí)粒子實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質(zhì)也都相反。這里我們討論一下重子數(shù)的概念。

質(zhì)子與中子被統(tǒng)稱為核子。人們從核現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子能轉(zhuǎn)化為中子，中子也能轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，但在轉(zhuǎn)化前后，系統(tǒng)的總核子數(shù)是不變的。例如：在發(fā)生β衰變時(shí)，放出正電子的稱為“正β衰變”，放出電子的稱為“負(fù)β衰變”。在正β衰變中，核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)釋放一個(gè)正電子和一個(gè)中微子；在負(fù)β衰變中，核內(nèi)的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，同時(shí)釋放一個(gè)電子和一個(gè)反中微子。此外電子俘獲也是β衰變的一種，稱為電子俘獲β衰變。

50年代起的粒子實(shí)驗(yàn)表明，還有很多種比核子重的粒子，它們與核子也屬同一類，這類粒子于是被改稱為重子，核子僅是其最輕的代表，一般的規(guī)律是：當(dāng)粒子通過(guò)相互作用而發(fā)生轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)中的重子個(gè)數(shù)是不會(huì)改變的。

由于重子數(shù)的守恒性，兩個(gè)質(zhì)子相碰是不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)包含三個(gè)重子的系統(tǒng)的，那么反核子應(yīng)當(dāng)怎么產(chǎn)生？實(shí)驗(yàn)表明，反核子總是在碰撞中與核子成對(duì)地產(chǎn)生的。例如 p+p → N+N+N+N'+若干 π介子，其中N代表質(zhì)子或中子，N'代表反質(zhì)子或反中子。反核子一旦產(chǎn)生，它常很快與周圍的某個(gè)核子再相碰而成對(duì)地湮滅。例如

N+N' → 若干 π介子。按照這種說(shuō)法推論，在宇宙的某個(gè)地方，一定存在著反物質(zhì)世界。如果反物質(zhì)世界真的存在的話，那么，它只有不與物質(zhì)會(huì)合才能存在。可物質(zhì)與反物質(zhì)怎樣才能不會(huì)合？反物質(zhì)在宇宙何方？這還是待解之迷。

對(duì)于比核子更重的重子，情況完全一樣。反重子也總是與重子成對(duì)地產(chǎn)生，成對(duì)地湮滅的。這些經(jīng)驗(yàn)使人們認(rèn)識(shí)到，重子數(shù)的守恒規(guī)律需要重新認(rèn)識(shí)。人們把重子數(shù)B當(dāng)作描述粒子性質(zhì)的一種電荷。正反重子不僅有相反的電荷，而且也有相反的重子數(shù)B。令任一個(gè)重子都具有重子數(shù)B=+1，則任一個(gè)反重子都具有B=-1。介子、輕子和規(guī)范子等非重子不具有重子數(shù)，即它們有B=0。重子數(shù)的守恒規(guī)律可表述為：任何粒子反應(yīng)都不會(huì)改變系統(tǒng)的總重子數(shù)B。這表述既反映了不涉及反粒子時(shí)的重子個(gè)數(shù)不變，也概括了反粒子與粒子的成對(duì)產(chǎn)生和湮滅。我們?nèi)菀桌斫庵凶雍头粗凶拥膮^(qū)別了，它們具有相反的重子數(shù)B，因此反中子能與核子相碰導(dǎo)致湮滅，而中子則不能。

此外，人們還類似地發(fā)現(xiàn)了輕子數(shù)的守恒性。中微子雖不帶電，也不具有重子數(shù)，但它與反中微子具有相反的輕子數(shù)。按輕子數(shù)的守恒性，中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的，實(shí)驗(yàn)還表明，介子數(shù)和規(guī)范粒子數(shù)是不具有守恒性的。這樣我們看到，電荷只是粒子的一種屬性，另外還有用重子數(shù)和輕子數(shù)等物理量刻畫的其他屬性。正反粒子的這些屬性也都是相反的。1928年，英國(guó)青年物理學(xué)家狄拉克從理論上首次論證了正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外，一切性質(zhì)和電子相同。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德遜在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了狄拉克所預(yù)言的正電子。1955年，美國(guó)物理學(xué)家西格雷等人用人工的方法獲得了反質(zhì)子。此后人們逐漸認(rèn)識(shí)到，不僅質(zhì)子和電子，所有的微觀粒子都有各自的反粒子。

這一系列科學(xué)成果使人們?nèi)諠u接近反物質(zhì)世界。然而問題并不那么簡(jiǎn)單。首先，在地球上很難發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。因?yàn)榱Ｗ优c反粒子碰到一起，就像冰塊遇上火球一樣，或者一起消失，或者轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ?。所以在地球上，反物質(zhì)一旦碰上其它物質(zhì)就會(huì)被兼并掉。其次，制造反物質(zhì)相當(dāng)困難而且耗費(fèi)巨大，需要如SSC或LHC之類的高科技儀器，并且即使制造出反物質(zhì)，也難以保存，因?yàn)榈厍蛏先f(wàn)物都由物質(zhì)構(gòu)成。

我們周圍的宏觀物質(zhì)主要由重子數(shù)為正的質(zhì)子和中子所組成。因此，這樣的物質(zhì)被稱為正物質(zhì)，由他們的反粒子組成的物質(zhì)相應(yīng)地叫反物質(zhì)。從粒子物理的角度講，正粒子和反粒子的性質(zhì)幾乎完全對(duì)稱，那么為什么自然界有大量的正物質(zhì)，而卻幾乎沒有反物質(zhì)呢？這正是我們要討論的問題。

反物質(zhì)就是正常物質(zhì)的鏡像，正常原子由帶正電荷的原子核構(gòu)成，核外則是帶負(fù)電荷的電子。但是，反物質(zhì)的構(gòu)成卻完全相反，它們擁有帶正電荷的電子和帶負(fù)電荷的原子核。從根本上說(shuō)，反物質(zhì)就是物質(zhì)的一種倒轉(zhuǎn)的表現(xiàn)形式。愛因斯坦曾經(jīng)根據(jù)相對(duì)論預(yù)言過(guò)反物質(zhì)的存在：“對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為m，所帶電荷為e的物質(zhì)，一定存在一個(gè)質(zhì)量為m，所帶電荷為-e的物質(zhì)（即反物質(zhì)）”。按照物理學(xué)家假想，宇宙誕生之初曾經(jīng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)與反物質(zhì)，而兩者一旦接觸便會(huì)相互湮滅抵消，發(fā)生爆炸并產(chǎn)生巨大能量。然而，出于某種原因，當(dāng)今世界主要由物質(zhì)構(gòu)成，反物質(zhì)似乎壓根不存在于自然界。正反物質(zhì)的不對(duì)稱疑難，是物理學(xué)界所面臨的一大挑戰(zhàn)。