粒子物理中的反物質概念
正,反粒子的自鏇方向相反
反質子-結構模型圖
反中子-結構模型圖現在人們把重子數B當作描述粒子性質的一種荷。正反重子不僅有相反的電荷，而且也有相反的重子數B。令任一個重子都具有重子數B=+1，則任一個反重子都具有B=-1。介子、輕子和規範子等非重子不具有重子數，即它們有B=0。重子數的守恆規律可表述為：任何粒子反應都不會改變系統的總重子數B。這表述既反映了不涉及反粒子時的重子個數不變，也概括了反粒子與粒子的成對產生和湮滅。現在我們容易理解中子和反中子的區別了，它們具有相反的重子數B，因此反中子能與核子相碰導致湮滅，而中子則不能。
此外，人們還類似地發現了輕子數的守恆性。中微子雖不帶電，也不具有重子數，但它與反中微子具有相反的輕子數。按輕子數的守恆性，中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的，實驗還表明，介子數和規範粒子數是不具有守恆性的。這樣我們看到，電荷只是粒子的一種屬性，另外還有用重子數和輕子數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。
我們周圍的巨觀物質主要由重子數為正的質子和中子所組成。因此，這樣的物質被稱為正物質，由他們的反粒子組成的物質相應地叫反物質。從粒子物理的角度講，正粒子和反拉子的性質幾乎完全對稱，那么為什麼自然界有大量的正物質，而卻幾乎沒有反物質呢？這正是我們現在要討論的問題。
圖下為:反(正)電子-結構模型圖宇宙中有反物質天體嗎？
粒子實驗已證實，正反粒子的強作用和電磁作用性質完全一樣，因此反質子和反中子也能結合成帶負電的反原子核，反核和反電子結合在一起，就能組成反原子。我們的正物質世界有多少種原子，相應在反物質世界中也能有多少種反原子，而且它們在結構上將是完全沒有區別的，延伸起來講，大量反原子可以構成反物質的恆星和星系。如果宇宙中正反物質為等量，那么這樣的反恆星和反星系就應當存在。因此這給天文學家提出了一個深刻的問題：天上有反恆星和反星系嗎？要由觀測來分辨遠處星系由物質構成或反物質構成並不容易，至今的天文觀測只是接收遠處天體所放出的光子。原則上，正物質天體若輻射光子，那么同樣的反物質天體應當輻射反光子。但是光子是純中性的粒子，因此光子與反光子是同一種粒子。這樣，天文學家通過可見光、射電、X射線或 γ 射線觀測，原則上無法區分他的目的物是由物質構成還是由反物質構成。恆星和星系除了輻射光子外，它們還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣，如果天文學家能接收中微子，那么他就能區分物質天體與反物質天體。可惜中微子與任何物質的相互作用都很微弱，造一個能接收它們的儀器很困難。今天用這辦法來區分物質天體或反物質天體還辦不到。那么讓我們問：與我們最鄰近的太陽或月亮會是由反物質組徹嗎？
月亮是離我們最近的天體，由地面出發的太空人已在月球上登入過。如果月球是由反物質組成的，那么在那位太空人與月球接觸時，湮滅過程早已把他轉化為介子了。這是直接證據，表明月亮是正物質天體。至於太陽，那是人類沒有可能登入的地方。那么怎么才能知道它不是由反物質組成的呢？太陽表面的氣體很熱，其中熱運動速度較快的原子的速度已超過了太陽表面的逃逸速度，這就是太陽風的起因，若太陽是反物質恆星，太陽風就由反原子組成，它吹到行星上，就會和行星的正原子相湮滅。於是正物質組成的行星會逐漸消失掉，這種消失過程沒有發生，就證明了整個太陽系中沒有反物質天體。這樣，如果要存在反物質天體，它至少應在太陽系之外。
把眼光放遠到整個銀河系，要問的是：在這個由千億個恆星構成的系統中，會有一部分是反恆星嗎？今天人們也已能肯定地回答：不會有。我們從地面上能接收到太空中飛行的宇宙射線。觀測統計表明，宇宙射線粒子中反質子僅是質子的萬分之幾，並且這少量的反質子是高能粒子碰撞的次級產物，而不是原始的，此外宇宙射線中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子卻一個也沒有發現過，這些事實說明原初的宇宙射線是由正物質組成的。如果銀河系中有反物質恆星，那么宇宙射線粒子將與它碰撞而發生湮滅。湮滅產生的 π 0 介子將很快衰變而成 γ 光子。因此這種湮滅過程是能夠通過 γ 射線的觀測來發現的。正是沒能找到湮滅過程所放出的很有特徵性的 γ 光子，使人們知道，銀河系中並沒有反恆星的存在，整個銀河系都是由正物質組成的。
上圖左的『陰極宇宙』因其原子核質子帶陰電,而電子帶陽電,組成了反氫原子即-反物質宇宙繼續尋找反物質的努力
1998年的夏天，美國宇航局把阿爾法磁譜儀送上了太空。它的主要目標之一是尋找宇宙射線中的反原子核。由於我國參與了這項研究，因此新聞媒體曾熱心地宣傳過它。如果相信宇宙中有等量的物質和反物質，那么在三千萬光年之外應有大範圍的反星系區存在。在那裡，原始的宇宙射線應是由反質子和反 α 粒子組成的。那裡的部分宇宙射線粒子會飛進我們這個由正物質構成的區域。由於星系際大部分地方很空曠，氣體的密度約只有每立方米一個質子的質量。因此反原子核可自由地飛行很長的距離。這樣，放置在地球大氣層之外的磁譜儀就能接收到它。這就是阿爾法磁譜儀計畫的基本想法。
上面已提到，實際測到的並不只是原始的射線粒子，它也包含由中途碰撞產生的次級粒子。因此當我們從宇宙射線中發現了反質子，它並不說明遠處一定有反物質天體區存在。這些反質子完全可能是次級產生的。反原子核就不一樣。它是由若干個反核子結合而成的複合體，所以不可能是碰撞產生的次級粒子。因此，如果能從宇宙射線中觀測到那怕只有一個反 α 粒子，它將是有力的證據，表明遠處有反物質天體存在。阿爾法磁譜儀能同時準確地測定飛入儀器的粒子的質量和電荷。當太空中有反 α 粒子飛入磁譜儀，它是容易被分辨出來的。這正是設計者所期望的事。現在阿爾法磁譜儀升空已有一年了，它接收到的信息正在陸續送回，其結果無疑非常令人關注。
若阿爾法磁譜儀的觀測證實了遠處有巨大的反物質區存在，那它肯定是一個里程碑式的成果。它的意義遠不僅是證實了宇宙中有反物質天體，更重要的是它對物理學提出了嚴峻的挑戰。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按現有的物理理論，沒有一種己知的作用力能使它們發生大範圍的分離。因此，如果觀測證實遠處確有已被分離出去的大量反物質，物理學將需要突破性的變化。
正反物質的不對稱疑難
在多數理論家看來，宇宙中正反物質的大尺度分離是不可能發生的。因此，三千萬光年的范國內沒有反物質天體，已說明宇宙中大塊的反物質是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質應當等量。這樣，需要做的事是尋找物理機理，來說明宇宙如何才能從正反物質等量的狀態過渡到正物質為主的狀態。這裡，理論家也遇到了非常尖銳的困難。按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產生達到統計平衡，宇宙介質就是一切基本粒子構成的混合氣體，且任一種穩定或不穩定的粒子都有接近相等的數密度。至於重子和反重子的數目是否嚴格相等，這不是由物理規律決定，而是由初條件決定的。
在理論家看來，在最初的宇宙中正反粒子應當等量才自然。但是易於看出，若這想法是對的，重子的守恆性立即會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 13 K以下，由於粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產生重子已不可能。於是湮滅過程將使正反重子的數目同時迅速下降。最終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上，今天宇宙中光子的數目最多．重子的數目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數目很可能還要低許多量級。如果重子數B的守恆性是嚴格的物理規律，要宇宙從正反重子等量的狀態演化成今天這樣的狀態是不可能的。然後，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多於反重子，那么問題的出路在哪兒？
重子數B的守恆性肯定是嚴格成立的物理規律嗎？至今難以計數的拉子實驗確實沒有發現過一個破壞重子數守恆的事例，但是這並不說明它一定是嚴格的規律。回顧一下化學的發展可作借鑑。化學反應是元素的重新組合。經驗表明，在重組合的前後，每一種元素的原子數是守恆的，無數的化學實踐表明沒有例外。想把汞變金的鍊金術的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應的知識後人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關鍵在於要有高的能量讓原子核發生變化。化學反應是在粒子能量小於1eV的條件下進行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應就不能發生。若過程中粒子的能量超過1MeV，原子核之間就能充分接近，那么原子核就能變化了，原子數的守恆性也就隨之破壞了。由此看來，原子數在化學過程中的守恆不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規律，而不是普遍成立的自然規律。借鑑同樣的道理，重子數的守恆性也可能僅是一定能量範圍的唯象規律，而不是普遍成立的。當粒子的能量更高，重子數的守恆性完全可能會不成立，這正是今天的理論家看到的出路。
從70年代中期起，粒子物理中由弱電統一理論的成功，掀起了研究相互作用大統一的潮流。按這樣的理論，高能下發生破壞重子數守恆的過程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學解決正反物質不對稱疑難的需要不謀而合了。於是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學的交叉領域而得到了很多進展。人們已清楚，要從正反物質等量的早期宇宙演化出今天正物質為主的狀態，除了重子數守恆須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質還必須有適量的差別。由於超高能下的粒子物理規律至今還沒有被掌握，因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物質天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還並不完全肯定。
總之，為徹底揭開宇宙反物質之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預料，這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的，它對物理學的影響也將是很深刻的。
