反物质之谜：宇宙丢失的另一半 _小知识

物理学中最大的谜团之一就是——为什么宇宙中有物质？
恒星、行星、星系和星系团都是由物质构成的，植物和动物也是由物质构成的。本来这是极为自然的事情，但是另一种奇怪的东西出现后，我们就陷入了理解的困境，这种东西就是反物质。
根据我们对宇宙起源和反物质的了解，物质和反物质都应该是不存在的。因为，反物质具有一个非常最重要的特点：当它和物质结合时，会相互湮灭抵消，并产生巨大能量（光子）。另一方面，物理定律表明，宇宙大爆炸产生的巨大能量应该创造了等量的物质和反物质。而问题就出现在这了——按理说，等量的物质和反物质相遇，就会“同归于尽” 。可是大爆炸之后的138亿年，宇宙仍然充满各种天体，所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在，那么反物质都去哪里了？

文章插图

反物质的现身
我们先从反物质的物理渊源说起。故事开始于1928年左右。当时，物理学正处于重大改变期。爱因斯坦提出了相对论，阐述了引力的本质，以及当物体以接近光速的速度运动时会发生什么情况。几乎同时，另一群物理学家正在发展量子力学，来描述粒子的行为。与此同时，英国物理学家保罗·狄拉克试图将这两者联系起来。
狄拉克提出了一个描述电子运动的数学方程式，即狄拉克方程。这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。在方程中，和电子共同存在的还有另一种粒子。它并不是传统带负电荷的电子，而是奇怪的带着正电荷的电子——也就是电子的反粒子。
1931年，狄拉克预言了电子的反粒子即“反电子”的存在，他还进一步提出质子及其它粒子也应该有相应的反粒子。如果所有粒子都有反粒子，那么就有可能存在完全由反粒子组成的物质，这种物质就是反物质。这是人类第一次意识到可能存在反物质。
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，但被实验物理学家忽略了。那时实验室内探测带电粒子径迹的主要工具是“云室”，云室中的高能粒子经过的路径上会出现一条白色的雾，也就是粒子运动的径迹。
在云室内施加磁场后，带电粒子会发生偏转，产生弯曲的径迹。一些科学家注意到，磁场中有一半电子向一个方向偏转，另一半向相反方向偏转。然而长期以来，人们一直认为电子只有一种，因此他们未曾想到那些反常的径迹是反粒子造成的。
在狄拉克预言“反电子”之后，美国物理学家卡尔·安德森怀疑云室中另一半的电子就是“反电子”，于是他开始做实验来证明。 1932年8月，他收集到了足够的数据，正式确认“反电子”的存在，并将它们命名为“正电子” 。
至此之后，反物质成为了物理学以及科幻小说的一部分。

文章插图

来自高空的身影
根据狄拉克方程，反物质会和普通物质遵守一样的自然规律。在这种情况下，宇宙中的物质与反物质的含量必须相等，所以有可能存在“反物质星球”和“反物质星系”，但是我们如何找到宇宙中的反物质呢？
1911年至1913年期间，奥地利物理学家维克托·赫斯多次搭乘了热气球，他可不是为了短途旅行，而是为了做实验。自19世纪末发现放射现象以来，人们一直认为粒子放射水平会随着海拔的升高而降低，因为人们认为海平面水平上的辐射来自岩石中的放射性元素。