大白話講述反物質之謎：它是個啥？為什麼它沒有毀滅宇宙？

對於很多人來說，這聽起來就像是科幻小說：正常物質有一個“邪惡的雙胞胎”，一旦兩者接觸就會相互湮滅。但是，這種反物質是非常真實的，儘管經過了數十年的研究，它仍然非常神秘。 那麼，反物質究竟是什麼？它在哪裡？為什麼理解它對我們很重要？為什麼它還沒有摧毀宇宙？

反物質是什麼？

儘管，聽起來很奇怪，反物質本質上就像普通物質一樣，只是它的粒子帶有相反的電荷。但這個簡單的區別實際上包含著一些重要的含義 —— 如果粒子和它的反粒子相遇，它們將在能量爆發中相互湮滅。

幸運的是，反物質非常非常罕見。它是在宇宙射線相互作用、颶風和雷暴期間以及作為某些型別放射性衰變的一部分，而自然產生的微量元素。事實上，任何含有“鉀 40”的物質都會偶爾吐出反物質粒子。這包括香蕉，是的，甚至包括你自己。但別擔心，它走不了多遠就會與電子碰撞並再次消失。

在人為情況下，反物質主要是在粒子加速器中產生的，比如歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（Large Hadron Collider），但也只能產生極小的數量，而且通常不會持續很長時間。

上圖：歐洲核子研究中心基礎實驗的一部分，反物質在實驗室中產生和儲存。

事實上，每個粒子都有其等效的反粒子。例如，有反質子、反中子和反電子（更廣為人知的是正電子）。有些粒子，比如光子，實際上是它們自己的反粒子。

這些反粒子也可以連線起來形成反原子。例如一個反質子和一個反電子可以形成一個反氫原子。理論上，每一種元素都應該有一個反物質等價物，除了電荷之外，它們應該具有與普通物質相同的所有性質。

當然，反物質並不是天生就比普通物質“差” —— 我們只是把它定義為“反”，因為它與我們習慣的物質相反。但是，如果在某個地方，有由反物質組成的生物生活在反物質行星上，圍繞反物質星系中的反物質恆星執行（順便說一下，這在理論上是可能的），他們可能會改變物質和反物質的標籤。

反物質和暗物質可能很容易混淆，但兩者是非常不同的。暗物質被假設分佈在整個宇宙中，儘管有大量證據表明暗物質的存在，但它仍然無法被直接探測到。而反物質，則是極其罕見的，但已被實驗證實，目前是不斷研究的主題。

那麼我們是如何研究反物質的呢？

歐洲核子研究中心（CERN）等機構的科學家，可以透過在加速器中將某些粒子粉碎在一起來製造反物質，從而產生物質和反物質對的簇射。當這些對被分離時，反物質就可以被儲存和研究。

然而，這是一個非常困難的過程，因此人工生產也只有幾十納克。這也使得它成為世界上最昂貴的材料，科學家估計它每克的成本高達250億美元。還有部分困難和高昂的成本來自儲存，可想而知，當然不能像把它放在罐子裡那麼容易，因為它會在接觸時摧毀大多數容器。

所以，科學家們使用了所謂的“潘寧陷阱”。反物質粒子被電磁場懸浮在真空室中，使它們遠離兩側（四周）。使用這種方法，科學家們在2010年首次捕獲反氫原子，並設法讓其儲存了幾分之一秒，然後在2011年將其延長到16分鐘以上。目前的記錄是將反質子儲存了405天。

如果，儲存反物質都如此地棘手，那麼運輸它就完全是另一個層次的挑戰了。2020年，歐洲核子研究中心詳細介紹了一種新的陷阱設計，這種陷阱可以用來將大量反物質移動到更遠的距離。

上圖：BASE-STEP運輸裝置的全橫截面。

該裝置名為“BASE-STEP”，由兩個潘寧阱組成，一個接收和釋放反質子，另一個儲存反質子以備運輸。陷阱將被 1-Tesla 超導磁鐵包圍以穩定它們，而一層液氦使系統能長時間保持冷卻。整個裝置小到可以裝載到卡車上，然後卡車可以將反物質運送到其他設施進行更詳細的研究。

你可能會猜想，如此困難和麻煩的研究，我們能獲得什麼呢？實際上，就算在應用層面，反物質有著巨大的技術潛力。事實上，它已經找到了一個有用的應用，你自己可能也經歷過。

我們可以用反物質做什麼？

如果你曾經做過 PET掃描（

正子斷層造影

），就會有醫生透過這個裝置觀察你的身體，看看你體內是否有反物質湮滅事件。顧名思義 —— PET 代表正電子發射斷層掃描，正電子就是電子的反物質版本。

PET掃描的工作原理是，向患者注射一種放射性示蹤化學物質，當其粒子衰變時釋放出正電子。這些正電子將與患者組織中的電子碰撞，釋放出伽馬射線光子，由專門的攝像機捕捉到。透過追蹤這些事件，醫生可以重建器官和腫瘤的3D影象。

上圖：一名患者的PET掃描，顯示示蹤染料在心臟和腎臟中正常積聚，同時在肝臟中有腫瘤。

如果，反物質能夠大規模地生產或收集，我們也許能夠將其用於更具有革命性的應用。當物質和反物質碰撞時釋放的能量是巨大的 —— 僅僅每一克物質產生的能量就相當於一顆4萬噸的原子彈。利用它，可以幫助推動遙遠未來的宇宙飛船非常高效地穿越宇宙，也許僅僅幾十毫克的反物質就足以把一艘飛船送上火星。

然而，它的黑暗面則是，反物質也可以製造出一種具有不可估量破壞力的武器。但值得慶幸的是，反物質高昂的成本讓它的黑暗面還一直停留在科幻小說的領域裡。

但在我們為反物質制定任何宏偉計劃之前，我們需要更詳細地研究它。畢竟，有些基本的問題我們仍然沒有答案。

最大的反問題

除了具有相反的電荷，物質和反物質應該基本相同，遵循相同的物理定律 —— 但重點是“應該”。假設並不能造就堅實的科學，所以物理學家們一直在反覆驗證這些基本假設，以防萬一，因為任何異常都可能暗示著粒子物理標準模型的一個全新篇章。

例如：每一種元素和化合物都有一個獨特的指紋，叫做“發射光譜”，這是根據它們吸收和發射的光波長來確定的。根據標準模型，同一元素的物質原子和反物質原子應該具有相同的光譜，但直到2016年，歐洲核子研究中心的科學家才最終進行了驗證。研究小組用鐳射轟擊反氫原子，測量其光譜，發現並確定，它與普通氫原子的光譜一致。

另一個重要的問題是，反物質對引力的反應是否和普通物質一樣。同樣，這也是預期的結果，但反物質實際上可能會向上墜落的可能性約為百萬分之一。這聽起來是一個我們應該已經知道的、非常基本的事情，但到目前為止，所有與反物質有關的工作都必須將其懸掛在電磁陷阱中。

上圖：ALPHA - g實驗正在歐洲核子研究中心建立，它將拋撒反物質，以觀察重力如何影響它。

歐洲核子研究中心有兩個獨立的實驗來測試這一想法，分別是“GBAR”和“ALPHA - g”。在這兩種情況下，實驗設計都非常簡單 —— 關閉陷阱，看看湮滅是發生在陷阱下方還是上方。希望我們等結果的時間不會太長。

但是，我們可以透過研究反物質來解決另一個主要的宇宙之謎 —— 我們到底為什麼會在這裡？

物質 —— 反物質不對稱

根據粒子物理學的標準模型，大爆炸應該會產生等量的物質和反物質。但如果是這樣，隨著時間的推移，宇宙的全部內容將透過碰撞而自我毀滅，今天的宇宙將成為一個非常空虛的地方。

顯然，這並沒有發生。那麼反物質發生了什麼？

它可能就在某處。理論上，反物質應該能夠像普通物質一樣聚整合恆星、行星和星系（只要周圍沒有普通物質使其湮滅）。這意味著，宇宙中可能有反物質占主導地位的角落。

它可能並不像你想象的那麼遙遠。一些科學家認為，反物質恆星可能潛伏在我們的星系中，像普通恆星一樣發光。然而，當物質微粒接觸到這些“反恆星”時，它們會釋放出不尋常的伽馬射線暴，我們或許能夠透過這些伽馬射線暴來識別它們。

但這也可能瓦解這一想法。即使宇宙的物質和反物質區域被廣袤的星際空間隔開，但沿著邊界仍然會有相當規律的湮滅事件發生。這將導致出現清晰的伽馬射線訊號，而這些訊號還沒有被觀測到，因此在可觀測的宇宙中不太可能存在反物質占主導地位的區域。

相反，主要的推理思路是，在宇宙的早期，某種東西導致了物質與反物質比例的不平衡，所以，最終其中一種物質比另一種物質多一點。這意味著，今天宇宙中的所有物質只是曾經存在的物質的一個極小的部分 —— 只有100億分之一，是反物質湮滅宇宙大災難後的殘餘。

那麼是什麼導致了這種不平衡呢？這裡有一些假設

一種觀點認為，我們的存在要感謝中微子。這些中性的亞原子粒子就是它們自己的反粒子，人們認為，它們可能在早期宇宙經歷相變時將一些反物質轉化為物質。

其他的亞原子粒子，比如魅力介子，在實驗室中被捕捉到會在物質和反物質之間轉換。如果出於某種原因，從反物質到物質的轉變對它們來說比相反轉變更容易，那麼它們可能在宇宙歷史的早期就造成了不平衡。

上圖：這是一個模型，描述了早期宇宙中軸子（黑球）的振盪，如何創造出比反物質更多的物質（彩色球）。

另一個故事指向一種假設的粒子，叫做軸子。據預測，它們極其輕，不帶電荷，以波的形式漂浮在宇宙中，很少與其他物質相互作用。根據一項研究，軸子場在早期宇宙中開始振盪，產生的物質比反物質多一小部分。

有趣的是，軸子可能是一種非常方便的粒子。它們的存在不僅可以解決物質與反物質的不對稱問題，還可以同時解決另外兩個宇宙難題 —— 它們也是暗物質的候選物質，而且它們還填補了我們對粒子物理學理解的另一個漏洞，也就是“強 CP”問題。

總而言之，反物質的內在奧秘很可能在未來很長一段時間內繼續困擾著科學家。實驗室實驗和天文觀測無疑將提供新的線索，幫助我們理解宇宙的進化、粒子物理的標準模型的侷限性，以及如何利用這種奇怪的物質來實現我們甚至無法想象的用途。

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