我们得以幸存的原因：最初的宇宙中，物质比反物质多了一丢丢

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导读： 宇宙诞生之初，无尽的能量转化为物质，粒子成对产生、成对湮灭，正反物质应该一样多，但今天的宇宙却由物质主宰，找不到反物质的踪影。这是为什么呢？ 1998年发现的“中微子振荡”现象，也许能解释为什么反物质在138亿年前消失，为地球和人类的诞生创造了稳定的条件。

村山齐 | 撰 文

SAIXIANSHENG 反物质：与物质性相同、电荷相反

1933年，约里奥居里夫妇 （居里夫人的女儿及女婿） 也通过实验展示了能量转换为物质的事实。他们用光能轰击原子核，得到了具有质量的电子和正电子。该实验中产生的正电子，是人类首次制造出的“反物质”。 根据现在的研究，基本粒子中存在与粒子的质量和自旋等性质相同，但电荷相反的“反粒子”。例如，电子的电荷为负，其反粒子的电荷为正 （因此被命名为“正电子”） 。中子是不带电的，所以反中子也没有电荷。不过，中子由夸克构成，而反中子则由反夸克构成。由这些反粒子构成的物质就是“反物质”。 1930年，英国的理论物理学家狄拉克预言了电子存在反粒子 （正电子） 。1932年，安德森从宇宙射线中发现了它 （在发现后的5年里，他一直以为自己发现的是介子） 。1933年，约里奥居里夫妇利用人工方式成功地制造出了正电子。该实验不仅验证了能量可以转换为质量，还发现了物质与反物质总是成对产生的性质 （这称为“成对产生”） 。

人类最初制造出的反物质 1955年，反质子和反中子也被发现。埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦这两位物理学家所在的研究团队，使用加州大学伯克利分校的粒子加速器进行了粒子撞击实验。他们通过轰击加速至接近光速的质子，制造出了反质子 （电荷是负的） 。此外，他们还发现人工制造出的反质子与其他质子相遇后，会发生“成对湮灭”并重新转换为能量。不仅如此，这些能量还会再次变换为质量，生成各种各样的粒子。正如爱因斯坦的理论所言，质量可以转换为能量，能量可以转换为质量。 SAIXIANSHENG 反物质与可怕的能量
“反物质”之所以重要，还因为它与我们宇宙的起源和历史息息相关。要想解释我们当前这个宇宙的历史，关于“反物质”的问题不得不解决的一个谜题。 每一种粒子都存在一个与它的质量和自旋等性质相同，但电荷却正好相反的反粒子。反物质就是由这些反粒子构成的。例如，反原子由反质子、反中子和正电子 （反电子） 构成。反原子可以聚集成反分子，所以理论上也存在“反水”“反空气”“反地球”“反冰淇淋”等。 目前，实验室中已经制作出了“反氢”。 这是东京大学的团队在CERN 的工作成果。 反物质的制造方法如下。 首先利用加速器制出反质子和正电子，然后将其放入减速器中。 让它们缓慢混合，就能形成正电子围绕反质子旋转的反原子。 如果将反原子收集起来，那么迟早就能制造出肉眼可见的反物质。 不过，反物质与物质仅有电荷上的差异，所以我们无法通过外观来区分它们。 科幻作品中其实早就出现过反物质。例如，在《星际迷航》 （ Star Trek ） 中，“进取号”星舰的燃料就被设定为反物质。反物质之所以能够成为宇宙飞船的能源，是因为反物质与物质相遇会湮灭。根据公式E=mc ² ，在反物质与物质发生湮灭时，其质量将会转换成能量，而且这种转化效率非常高。太阳内部的核聚变仅能将不足1%的质量转换成能量，而正反物质湮灭能将质量100%地转换成能量，其效率是汽油的20亿倍。宇宙飞船上使用这种高效能源，确实非常合适。 但是，反物质与物质接触时会瞬间发生湮灭，所以反物质的保存与运输便成了一大难题。 《星际迷航》中曾出现过反物质被坏人抢走的情节，他们是如何运输反物质的呢？ 在丹·布朗的《天使与魔鬼》中也有类似情节，CERN制作出的0.25克反物质落入坏人之手以后，他们是将反物质放入特殊容器中小心运输的。 如果该容器掉落摔坏，那么反物质与物质接触后会释放出相当于原子弹的能量。 换作我的话，即使有人把装反物质的容器送到我手中，我也绝不想收下。 在《天使与魔鬼》中，藏于梵蒂冈某处的反物质容器一旦电量耗尽，飘浮在空中的反物质就会掉落下来。不幸的是，梵蒂冈当然是由物质构成的 （笑） ，所以该地区将会陷入灾难。 读到这里，有的人可能会认为“反物质很危险”。不过，制造反物质需要非常巨大的能量。有人计算过，制造0.25克反物质的电费竟然高达10^20日元。在《天使与魔鬼》中，反物质是 CERN 的科学家瞒着主任私自制造的。如此多的钱被花掉都没被发现，估计他们拥有巨额的研究预算，这还真是令人羡慕 （笑） 。 SAIXIANSHENG 我们得以幸存的原因：
物质比反物质多了十亿分之二
制造大量的反物质是无法实现的，宇宙中只存在物质，因此我们能够安心生活。不过，宇宙大爆炸曾释放出惊人的能量，所以初期的宇宙中应该会存在大量反物质。现在的宇宙中之所以没有反物质，是因为随着宇宙变冷，反物质与物质相遇后发生了湮灭，然后就消失了。当然，在这种湮灭过程中，也有与反物质数量相等的物质消失了。 然而，现在的宇宙中还有物质存在。 这可能是因为在最初的宇宙中，物质比反物质稍多一些。 计算物质与反物质的差值，就会发现不知为何，物质比反物质多了十亿分之二。 因此，我们世界的所有物质——恒星、水、空气、冰淇淋和我们人类等——都是那个“零头”。虽然我们物质 （牺牲了十亿倍的“同胞”） 在与反物质的生存竞争中以微弱优势险胜，但我们并不清楚物质能胜出的原因，这真是让人不太舒服。如果无法知道为什么物质比反物质多出了十亿分之二，那么就无法解释我们幸存下来的理由。这就是“反物质消失之谜”。 一般认为，反物质世界如同物质世界的镜像世界。 这样的话，两个世界之间应该没有差别。 但是，问题在于两者在实际中存在微妙的差异。 物质与反物质的对称性必须被打破，才能与现实情况相符。 当然，小林-益川理论已经说明了粒子与反粒子的CP对称性是被打破的 （CP对称性破缺） 。这可以解释物质与反物质之间的微妙差异。不过，对于这是否能用来去解释它们之间那“十亿分之二”的差别，说实话目前的材料还不充足。物质与反物质，除了之前发现的CP对称性破缺之外，应该还有其他不同之处。 小林-益川理论为标准模型的确立做出了巨大贡献。 它本身是非常成功的理论。 但是，当我们尝试破解“反物质消失之谜”时，则发现当前的标准模型仍然存在破绽。 SAIXIANSHENG 草莓味还是巧克力味：
中微子振荡的真相
有一种基本粒子可以弥补标准模型的这一破绽，而且该基本粒子最近在研究领域备受瞩目，它就是中微子。 其实，在观测中微子的项目刚启动时，就有研究者指出了中微子存在一个令人费解的问题。 那就是，从太阳到达地球的中微子，其观测数量只有预测数量的30%～50%。 研究者对中微子的观测方法其实是各不相同的。 与小柴昌俊共同获得诺贝尔物理学奖名誉的雷蒙德·戴维斯的实验、日本的神冈探测器实验、意大利和俄罗斯的实验等，它们观测中微子的方法都不同。 但是，无论使用哪种观测方法，其结果中都存在那个令人费解的问题。 来自太阳的中微子明明没有在途中减少，但我们却只能观测到30%～50%的中微子。 这个问题被称为“太阳中微子问题”，它是近40多年来物理学领域的大难题。 2002年，以日本东北大学为核心的团队在神冈开展的KamLAND实验解决了这个问题。 我本人也参与了这项实验。 我们在那里观测到了事先在理论上预测出的“中微子振荡”现象。 “中微子振荡”是指，在宇宙空间中飞行的中微子，会在途中反复消失和出现的现象。当然，中微子并不是“幽灵”，所以这里的“消失”也不是真正的消失。在基本粒子物理学中，有一个表达粒子状态差异的词语叫作“味” （Flavor） ，而中微子的“味”一直在“振荡”。

中微子震荡的证据 太阳产生的中微子是电子中微子，所以地球上观测中微子的实验设备都是以观察电子中微子为前提建造的。然而，中微子在到达地球之前有时会变成其他“味”的中微子，有时又变回电子中微子。这就好比，顾客在店里点了草莓味的冰激凌，冰激凌在被送到顾客手中之前，有时是巧克力味的，有时会是草莓味的。因此，顾客最终可能拿到自己所点的草莓味冰激凌，也有可能拿到自己没点的巧克力味冰激凌。不过，无论冰激凌是什么味道，它都是可见的，但观察中微子的实验设备却只能“看到”电子中微子，所以虽然其他“味”的中微子到达了地球，但实验设备却“看不见”它们。
SAIXIANSHENG 挑战“反物质消失”之谜
“太阳中微子问题”就这样得以解决后，在解决该问题的启发下，一种关于“反物质消失之谜”的新构想浮现出来。 如前文所述，小林-益川理论无法完全解释为什么物质比反物质稍多的问题。 这意味着，即使着眼于夸克与反夸克也无法解开该谜题。 这样的话，如果我们把目光转移到中微子与反中微子身上，情况会如何呢？ 与夸克与反夸克相比，中微子与反中微子之间可能会出现更大程度的对称性破缺。 这样的话，我们或许能发现与“十亿分之二”相关的线索。 该理论的提出者，是IPMU的福来正孝和柳田勉，他们是我非常敬重的物理学家。 夸克存在CP对称性破缺，这早在1964年就为我们所知。 但是，中微子是近期才被发现的粒子，我们还不清楚它是否也存在CP对称性破缺。 因此，我们需要先研究中微子与反中微子在活动上是否存在区别。 如果发现了它们的区别，就能创造解释这种现象的理论，然后再用中微子去解释物质与反物质之间的“十亿分之二”的差别。 目前，日本正在规划能详细调查中微子活动的实验。 以太阳的中微子作为研究对象会花费太多的时间，所以该实验计划直接在地球上制造中微子来观察。 不过，要想观察中微子的“味”的变化，需要让中微子飞行足够的距离。 因此，从茨城县的东海村向岐阜县的神冈发射中微子束的实验计划，便应运而生。 茨城县的东海村有新建的质子加速器。 轰击质子可以生成大量的π介子，π介子衰变成μ子时，就会生成中微子。 该实验就是把这样产生的中微子束发射到超级神冈探测器。 由于超级神冈探测器位于地下，而且地球又是圆的，所以如果从东海村水平发射中微子束的话，中微子束将射向高空从而无法命中超级神冈探测器。 因此，东海村这边的发射装置要向下方调整，改为向地面发射中微子束。 另外，这些中微子到达超级神冈探测器后，并不会全都停下来。 穿过超级神冈探测器的中微子，会在韩国附近射出地面。 因此，如果能够在那里也建造检测设备的话，就能进一步提升该实验的精度。 该实验目前处于预算没有着落的计划阶段 （实验项目名为T2K，已于2010年正式运行） 。由于该实验中也会发射反中微子束，所以应该也可以研究中微子的CP对称性。美国也正在计划实施相同的实验，但其中微子束的发射距离要更远。 我们想知道的，并非仅是中微子的CP对称性破缺。 中微子是否能够转换成反中微子，也是一个重要的问题。 如果反物质可以少量地转换成物质，那么物质比反物质稍多的事实就比较容易能接受了。不过，任何人都没见过物质与反物质相互转换的现象。这种转换的阻碍是“电荷”。物质与反物质的电荷是相反的，带正电荷的物质不可能会变成带负电荷的反物质 （因为这违背了电荷守恒定律） 。 不过，中微子是不带电的。 即使中微子变成反中微子，也不会违背电荷守恒定律。 如果能发现这种现象，那么我们就能解开反物质消失之谜。 宇宙大爆炸生成了等量的物质与反物质，但中微子选取了少量的反物质，将其变成了物质。 这部分物质，就是在宇宙中幸存下来的我们。 前文曾提过，暗物质诞生于大爆炸的10 ^{- 10} 秒后。如果真是中微子让少量反物质变成了物质，那么中微子的诞生时间要比暗物质早很多。中微子诞生时的宇宙年龄约为10 ^{- 26} 秒。中微子不仅是“物质的起源”，还有可能是宇宙起源的关键所在。 作者简介：

村山齐（Hitoshi Murayama），日本物理学家，东京大学理学博士，美国加利福尼亚大学伯克利分校教授。 曾任东京大学Kavli数学物理联合宇宙研究机构（IPMU）第一代所长，国际直线对撞机合作组织（LCC）副主任。 主要研究课题为超对称性理论、中微子、初期宇宙、粒子加速器实验的现象论等。 他与世界顶尖科学家共同协作，推动人类对宇宙研究的发展，同时为将研究成果回报给社会，积极投身科普活动。 所著《宇宙是什么》一书，获得“日本新书大奖”第1名（2011）。 另著有《宇宙只有一个吗》《我们为什么存在于宇宙之中》等。 BOOK TIME 《宇宙是什么》 [日]村山齐 著 武晓宇 译 新星出版社 2024年9月 出版

宇宙由什么构成？我们以及我们的世界为何会存在？ 本书为著名物理学家村山齐教授关于“宇宙是什么”的畅销科普名作。书中以破解“宇宙的本原与法则”为线索，结合基本粒子物理学与宇宙学的研究，用推理小说般的行文呈现了宇宙的起源、可能结局以及底层构造，细致描绘了人类追寻宇宙之谜的壮阔历程。此外，作者带领读者探索了“额外维度”“暗物质”“反物质”“暗能量”等宇宙谜题，不仅描绘出了宇宙的整体图景， 还探讨了当前宇宙研究中待解决的关键问题，是了解宇宙的科普佳作。 赛先生书店可开发票，请在购书备注中留下开票信息 （抬头、税号和电子邮箱） ，确认收货后，由出版社开具。 ‍‍ 星标《赛先生》 公众号， 不要错过我们每日为您精心准备的高质量文章！

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