反物質之謎

迄今實驗上已知的“基本粒子”約有300多種，物理學家們認為其中一些可能更“基本”，未發現的粒子數目還會有很多。但不管是已發現的或是理論上預言的粒子，也不管它們多麽“基本”，有一個共同的特點是：每一種粒子都有一種相應的反粒子。粒子和反粒子的質量相等，而其他一些性質(如電荷等)卻正好相反。也有少數粒子的反粒子就是自身(如光子)。在比原子更小的基本粒子尺度上粒子和反粒子是高度對稱的，即它們總是形影不離，缺一不可。在高能加速器裏它們也總是共同產生，機會均等。但一旦大於這個尺度，情況就大不相同了。環顧我們的周圍，電子、質子、中子等“正”粒子構成了“正”原子，而“正”原子構成了地球、太陽係直到銀河係內的一切物質。這些物質其實應更恰當地稱為“正”物質。雖然原則上也應存在由正電子、反電子和反質子等“反”粒子組成的“反”物質，但是它們毫無蹤影。這就出現了一種強烈的不對稱性。這種情形和物理學中其他一些最基本的問題十分相似。例如時間，在微觀世界裏時間的過去和將來基本上是對稱的。而在宏觀世界裏時間卻總是向前流逝。這也是一種強烈的不對稱性。

。既然尺度似乎和不對稱性相關，讓我們向更大的尺度延伸來看看情況如何。如果在更大尺度上物質和反物質對稱地存在，那麽我們周圍世界的不對稱性隻是一種局部不均勻性，問題可能比較簡單。然而銀河係以外的星係究竟是由物質還是反物質組成目前無法判斷。這是因為我們對遙遠星係的知識完全來源於從這些星係來的光子，而光子的反粒子正好是它本身，因此即使星係完全由反物質組成，它們的光學性質還是與由物質組成的星係完全一樣。如果將來能接受到星係的其他信息(如中微子)，那麽區別還是可能的。由於粒子和反粒子一旦相遇就要發生強烈的反應：正反粒子將“湮滅”，同時放出高能量的光子-V光子。即使反物質星係存在，它與物質星係之間必須由真空隔開，否則就要發生強烈的“湮滅”反應。現在已發現不少星係有或多或少的物理聯係，但卻從未發現有表征正反粒子湮滅反應的V光子輻射。據此，至少目前認為宇宙中的物質遠多於反物質。

’為什麽反物質會這麽少呢?

一種解釋認為，宇宙創生時物質多於反物質的狀況就已形成。這當然也不失為一種解釋，但它隻不過把解決問題的責任推諉給更神秘的宇宙創生。

前些年，著名的物理學家溫伯格等人把大爆炸宇宙學理論和摹本粒子的大統一理論結合在一起，試圖提供另一種答案。在宇宙創生的最初一刹那，宇宙的溫度極高，物質都以基本粒子的狀態存在，且有強烈的相互作用。出於統計學上的考慮，正反粒子對稱的狀態——平衡態是最可能存在的狀態。在大爆炸後l0秒以後，溫度降低，一種理論上預言存在的極高能粒子×(1～10兆電子伏)不再產生，卻向較低能量的重子衰變。粗略地說，重子是指質量和質子、中子差不多或更重的粒子。x粒子和它的反粒子衰變成重子的過程是不對稱的。當它們隨著溫度的降低幾乎完全衰變成重子時，產生了重子和反重子的比例為100000000l ：1000000000的微小不對稱性。此後，重子和反重子以1：1的比例湮滅，隻剩下每10億正反重子對中唯一多餘的重子。正是這些多餘的重子組成了我們現在所看到的宇宙中的絕大部分物質。據現在宇宙中存在的物質推算，這種多餘的重子數目大約為10個。

上述的解釋是一種邏輯嚴密的理論推測，但並未得到實驗上的有力支持。一些從事實際觀測的天文學家對這種高度自由和過多的臆測不滿意，如天體物理學家鄧克爾就曾說過，對粒子物理的研究，實驗所能加上的約束少了一點。

‘宇宙中反物質為什麽這麽少?其答案目前還隱藏在撲朔迷離的濃霧之中，也許我們還要等待許多年後才能得到它的確鑿答案，但是可以相信，經過不斷探索，宇宙中反物質少的真麵目終究會出現在人們的麵前。