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)。