詳細(xì)情況如下:來源：科學(xué)大院近日，來自歐洲核子中心（CERN）的阿爾法合作組（ALPHAcollaboration）報(bào)道了氫原子的反物質(zhì)對應(yīng)物即反氫原子能級結(jié)構(gòu)中的特定量子效應(yīng)——精細(xì)結(jié)構(gòu)（finestructure）和蘭姆位移（Lambshift）。這些量子效應(yīng)存在于物質(zhì)原子中，而尚未在反物質(zhì)原子中發(fā)現(xiàn)。此類研究有助于揭示物質(zhì)和反物質(zhì)之間的區(qū)別。這一結(jié)果發(fā)表在最新的《自然》期刊上，測量顯示反物質(zhì)原子的特定量子效應(yīng)與“普通”物質(zhì)原子中的理論預(yù)言相一致，這為將來進(jìn)一步精確測量反物質(zhì)的特定量子效應(yīng)和其他基本性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

　　“發(fā)現(xiàn)正反物質(zhì)之間的任何區(qū)別都可能動搖粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)，這些新的實(shí)驗(yàn)測量是關(guān)于反物質(zhì)相互作用的方面——比如說蘭姆位移——對于這些結(jié)果我們已經(jīng)期盼了很久?！卑柗▽?shí)驗(yàn)的發(fā)言人杰弗里·亨斯特（Jeffrey Hangst）表示。“我們下一步的計(jì)劃是使用最先進(jìn)的激光冷卻技術(shù)來大規(guī)模地冷卻反氫原子。這些技術(shù)的應(yīng)用將會極大地促進(jìn)反物質(zhì)的研究并且能夠以前所未有的精度來探測物質(zhì)和反物質(zhì)之間的區(qū)別?！?/p>

　　阿爾法合作組通過將歐洲核子中心的鈉-22（22Na）放射源輻射出的正電子和反質(zhì)子減速器AD（Antiproton Decelerator）輸送的反質(zhì)子結(jié)合制造出了反氫原子，并將這些獲得的反氫原子通過磁籠約束在超高真空環(huán)境中，這樣做是為了避免反氫原子與物質(zhì)結(jié)合被湮滅掉。然后通過激光照射到反氫原子上獲得激發(fā)光譜。這些技術(shù)讓科研人員實(shí)現(xiàn)了對反氫原子的特定量子效應(yīng)如精細(xì)結(jié)構(gòu)和蘭姆位移的測量。這些量子效應(yīng)會導(dǎo)致原子特定能級的微小劈裂，這是首次在實(shí)驗(yàn)中研究反氫原子的特定量子效應(yīng)。一個(gè)世紀(jì)以前，物理學(xué)家正是通過氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，確定了基本帶電粒子之間的電磁相互作用強(qiáng)度的常數(shù)——精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（fine structure constant）——約為1/137。1947年在氫原子中發(fā)現(xiàn)的蘭姆位移，則是量子電動力學(xué)發(fā)展過程中的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。量子電動力學(xué)描述的是物質(zhì)和光之間的相互作用。1955年，威利斯·藍(lán)姆（Willis Lamb）由于藍(lán)姆位移的發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近日去世的著名物理學(xué)家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）也是量子電動力學(xué)的奠基人之一。

　　什么是反物質(zhì)？——科學(xué)而非科幻

　　對許多人來說，反物質(zhì)聽起來科幻得都近乎玄幻，同時(shí)也是最危險(xiǎn)的存在。在丹·布朗的懸疑驚悚小說《天使與魔鬼》中，“光照派”教徒從歐洲核子中心地下實(shí)驗(yàn)室偷取大量反物質(zhì)制造出反物質(zhì)湮滅彈埋藏在梵蒂岡，試圖在教皇選舉日一舉毀滅天主教中心。這部小說后來改編為由湯姆·漢克斯主演的同名電影。對于中國讀者來說，丹·布朗的另一部小說《達(dá)芬奇密碼》則更為出名。小說和電影中既包含關(guān)于暗物質(zhì)的科學(xué)真相，也包含科學(xué)幻想。那么，哪些是真相？哪些是幻想？

　　什么是反物質(zhì)？物理學(xué)對反物質(zhì)的定義：反物質(zhì)是物質(zhì)的對應(yīng)物，二者物理性質(zhì)相似，但是所有的量子數(shù)都反號，如電荷量。

　　讓我們從最簡單的電子說起。電子帶有一個(gè)負(fù)電荷。那么，與電子對應(yīng)的反物質(zhì)“反電子”（antielectron）或者說“正電子”（positron）則帶有一個(gè)正電荷。正電子和電子的質(zhì)量一樣，但是電荷卻相反。

　　早在1928年，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）將量子理論和狹義相對論結(jié)合，寫出電子在高速運(yùn)動下的薛定諤方程，被稱為狄拉克方程，這一方程為狄拉克贏得了1933年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如同方程x2=4有兩個(gè)根（x=2或者x=-2）一樣，狄拉克方程也有兩個(gè)可能的解，一個(gè)解表示電子擁有正能量，叫做正能解，另外一個(gè)解表示電子擁有負(fù)能量，叫做負(fù)能解。

　　但是經(jīng)典物理學(xué)和常識告訴我們，一個(gè)粒子的能量總是正值，不可能是負(fù)值。狄拉克創(chuàng)造性地將負(fù)能解理解為反粒子的能量，他認(rèn)為對于每一種粒子（particle），都存在一個(gè)對應(yīng)的反粒子（antiparticle），這兩種粒子性質(zhì)相同，只有電荷是不同的。比如與電子對應(yīng)的反粒子是正電子。這種解釋為人類打開一個(gè)全新的“物質(zhì)世界”——反物質(zhì)世界。

　　在1932年，卡爾·安德森（Carl Anderson）在研究宇宙射線的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了正電子，從而證實(shí)了狄拉克這一大膽的預(yù)測。這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)人們：是不是每一種粒子都存在和它的性質(zhì)相同卻帶有相反的電荷的反粒子（事實(shí)上，不帶電的粒子也有反粒子，它的反粒子也不帶電，比如光子的反粒子是它本身，但是K0介子的反粒子并不是它本身，而是`K0——現(xiàn)代粒子物理學(xué)中，介子一般由正反兩個(gè)夸克構(gòu)成，如K0介子，重子一般由三個(gè)夸克構(gòu)成，如質(zhì)子和中子）。

　　科學(xué)家開始通過各種方法去尋找反物質(zhì)。根據(jù)宇宙射線中發(fā)現(xiàn)正電子的成功經(jīng)驗(yàn)，他們試圖在宇宙射線中尋找反質(zhì)子，但并未發(fā)現(xiàn)。1954年美國加州伯克利開始運(yùn)行高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器Bevatron。次年，Bevatron合作組首次發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子，文章發(fā)表在該年11月1日的《物理快報(bào)評論》（Physical Review Letters， PRL）上，這是首次觀測到帶有負(fù)電荷的反質(zhì)子。1956年，Bevatron合作組發(fā)現(xiàn)反中子。如今，歐洲核子中心（CERN）的物理學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)中制造“大量”反物質(zhì)用于研究。歐洲核子中心的反質(zhì)子減速器AD（Antiproton Decelerator）就是一臺將產(chǎn)生初期的高速反質(zhì)子減速用于研究反質(zhì)子或者反原子性質(zhì)的儀器。

　　如何獲得反物質(zhì)？——貌似簡單實(shí)則不易

　　要獲得反物質(zhì)并不是一件容易的事情，但也并非不可能。

　　首先，你要理解愛因斯坦那個(gè)著名的質(zhì)能方程E=mc2。這個(gè)方程告訴我們，質(zhì)量和能量是等價(jià)的。可以通過一些手段，將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，也可以將能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。相信大家對質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量的例子并不陌生——核裂變和核聚變——虧損的原子核質(zhì)量轉(zhuǎn)化為巨大能量并釋放，這為我們?nèi)祟愑谰媒鉀Q能源問題帶來曙光。

　　那么現(xiàn)在你要獲得反物質(zhì)，即“制造”一定質(zhì)量的反粒子，理論上只需要將一定的能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量就可以。你要獲得的反物質(zhì)粒子質(zhì)量越大，需要消耗的能量也就越大。但是，能量轉(zhuǎn)化出來的并不只有反物質(zhì)，還伴隨有等量的物質(zhì)產(chǎn)生。

　　制造越重的反粒子需要的能量就越大，比如質(zhì)子的質(zhì)量大概是電子質(zhì)量的2000倍，那么制造反質(zhì)子需要的能量也至少是正電子的2000倍?？茖W(xué)家通過高能加速器將粒子加速獲得高能，高能粒子碰撞之后釋放的能量會產(chǎn)生正反物質(zhì)對。這就是我們所熟知的高能粒子加速器，比如北京正負(fù)電子對撞機(jī)BEPC、歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC、日本國家高能物理研究所的高亮度正負(fù)電子對撞機(jī)B工廠、美國斯坦福直線加速器SLC等。

　　如果你只是想獲得輕的反物質(zhì)，比如說正負(fù)電子對，高能光子就足夠了。高能光子可以是一種特別的電離輻射——γ輻射。一些原子核衰變可以產(chǎn)生γ輻射。當(dāng)然，還有的原子核衰變可以直接產(chǎn)生正電子，這是一種β輻射，大部分的β輻射產(chǎn)生的是電子，只有少部分直接產(chǎn)生正電子。我們生活中常見的一種水果中富含的某種元素衰變就可以產(chǎn)生正電子。這種水果就是香蕉！香蕉中富含鉀元素K，缺鉀的人可以多吃香蕉補(bǔ)充鉀元素。天然的鉀元素中大部分是39K，也包含少量39K的同位素40K。40K具有放射性，可以通過放射出一個(gè)電子變?yōu)殁}40Ca，也可以放射出一個(gè)正電子變?yōu)闅?0Ar。不過你盡管放心大膽地吃香蕉，不必?fù)?dān)心輻射也不必?fù)?dān)心正電子會把你湮滅掉，因?yàn)樘烊烩浿蟹派湫酝凰?0K的含量太低了，我們不能“耍流氓”——離開劑量講毒性。

　　實(shí)際上，現(xiàn)在一種分辨率很高的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備叫正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET/CT），已經(jīng)較為廣泛地用于醫(yī)療檢測。PET/CT由PET和CT兩部分組成，PET顯像是將發(fā)射正電子的核素引入人體內(nèi)，發(fā)射出來的正電子與體內(nèi)的電子發(fā)生正反電子湮滅轉(zhuǎn)換成高能光子射至體外成像，PET/CT最終分別給出PET的圖像、CT的圖像以及聯(lián)合圖像，這對于精確確定病灶和病灶的變化非常重要。

　　如果我們周圍有反物質(zhì)——不僅僅是香蕉產(chǎn)生的正電子，宇宙射線中也有正電子，別忘了發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反物質(zhì)粒子就是宇宙射線中的正電子——那么一個(gè)麻煩的問題來了：那么它們哪里去了，為什么消失不見了？當(dāng)然并不是憑空消失了，這是因?yàn)樯硖幬镔|(zhì)世界中，反物質(zhì)粒子一旦產(chǎn)生并遇到對應(yīng)的物質(zhì)粒子，就會被湮滅掉，湮滅的正反物質(zhì)對會放出高能的雙光子。

　　反物質(zhì)湮滅彈是真實(shí)的嗎？

　　——科學(xué)但并非合理   

　　如果0.5克的反物質(zhì)和0.5克的物質(zhì)碰撞湮滅，會發(fā)生什么？我們只需用質(zhì)能方程做個(gè)簡單的乘法就知道了：E=mc2，其中質(zhì)量m是正反物質(zhì)的總質(zhì)量1克，c是真空中的光速約為30萬公里/秒，這樣湮滅之后你會得到90，000，000，000，000（九十萬億）焦耳能量。食用一根普通香腸（約75克）為身體提供的熱量是300大卡（千卡），約為1，200，000焦耳。如果將0.5克反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的能量換算為提供熱量的香腸的數(shù)量，你需要約7200萬根。那如果是換算成美國曾用于實(shí)戰(zhàn)的“胖子”原子彈是多少呢？“胖子”爆炸產(chǎn)生的威力為20000噸TNT當(dāng)量，1克TNT爆炸釋放的能量是4181焦耳，那么很容易得到0.5克反物質(zhì)湮滅釋放的能量超過1000個(gè)“胖子”！所以，反物質(zhì)湮滅彈的威力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過核武器。這也就是為什么《天使與魔鬼》中的“光照派”要偷取歐洲核子中心實(shí)驗(yàn)室中的反物質(zhì)制造反物質(zhì)湮滅彈試圖毀滅梵蒂岡的原因。不過對于“終極大殺器”反物質(zhì)湮滅彈來來說，這真是太“大材小用”了！不過幸運(yùn)的是，即使只有0.5克的反物質(zhì)，從技術(shù)上來說要制造和保存也幾乎是不可能的。

　　電影中沒有告訴你的是，“光照派”是用什么容器盛放反物質(zhì)的。這類似于一個(gè)經(jīng)典疑難：一個(gè)科學(xué)家發(fā)明了能夠溶解一切的藥水，那這個(gè)藥水要裝在哪里？天然形成的反物質(zhì)或者人工制造的反物質(zhì)，一旦遇到物質(zhì)粒子，就會被湮滅掉。這比能溶解掉一切的藥水更加麻煩。我們要把反物質(zhì)放在哪里呢？

　　想要儲存一個(gè)反原子已經(jīng)是很難的事情了。你不可能將反物質(zhì)放入一個(gè)普通的盒子儲存起來，因?yàn)樗R上就會發(fā)生湮滅而消失。為了避免反物質(zhì)和物質(zhì)直接接觸，必須要放入真空環(huán)境中，而真空又需要密閉，密閉的容器必然是物質(zhì)做成的，你還需要避免反物質(zhì)運(yùn)動與容器壁碰撞接觸。這個(gè)時(shí)候，你需要強(qiáng)的電磁場將反物質(zhì)約束在一定空間內(nèi)?？茖W(xué)家使用一種叫潘寧阱（Penning Trap）的電磁約束裝置。

圖三 一種潘寧阱結(jié)構(gòu)及離子在阱中的運(yùn)動軌跡示意圖（圖片來源： CNKI）

　　因此，最大的困難是如何儲存制造出來的反物質(zhì)。產(chǎn)生普通的反物質(zhì)粒子并不十分困難（當(dāng)然是對當(dāng)今科學(xué)來說）。你只需要特殊的放射源就可以產(chǎn)生正電子，如鉀-40或者鈉-22。產(chǎn)生反質(zhì)子就需要高能粒子加速器。因?yàn)榉促|(zhì)子是在高能粒子加速器里面產(chǎn)生的，所以會做高速運(yùn)動。這個(gè)時(shí)候你需要將反質(zhì)子降速，用到的儀器是反質(zhì)子減速器，高速正電子也需要降速。反質(zhì)子和正電子都降速之后，讓二者相互接近，則會有一定的幾率產(chǎn)生反原子，這樣制造出來的是最簡單的反原子——反氫原子。經(jīng)過前面的步驟，你就可以儲存并分析反原子的行為了。注意，上述所有過程都需要在真空電磁約束環(huán)境下進(jìn)行！

　　你現(xiàn)在應(yīng)該知道，《天使與魔鬼》中的大反派偷取歐洲核子中心的反物質(zhì)還做成湮滅彈運(yùn)到梵蒂岡，是多么“玄幻”的任務(wù)啊！

　　為什么研究反物質(zhì)世界？

　　——細(xì)思極恐的科學(xué)  

　　制造和貯存反物質(zhì)如此困難，那為什么我們還要研究反物質(zhì)、甚至是反物質(zhì)世界呢？

　　反物質(zhì)只是和普通物質(zhì)性質(zhì)相同，電荷相反。這只是物理學(xué)家的假設(shè)。反原子發(fā)出的光和物質(zhì)原子發(fā)出的光是一樣的嗎？反物質(zhì)物體也會在重力作用下做落體運(yùn)動嗎？根據(jù)反物質(zhì)對應(yīng)的物質(zhì)的性質(zhì)，我們假設(shè)是這樣的，但其實(shí)我們并不知道。我們得到的反物質(zhì)太少了，儲存又如此艱難！

　　隨著科學(xué)的進(jìn)步，已經(jīng)有很多針對反物質(zhì)性質(zhì)探測的實(shí)驗(yàn)——驗(yàn)證反物質(zhì)原子的能級結(jié)構(gòu)、精細(xì)結(jié)構(gòu)、蘭姆位移等就是這樣的實(shí)驗(yàn)——物理學(xué)家們開始逐步揭開反物質(zhì)的神秘面紗。事實(shí)上，反物質(zhì)遠(yuǎn)不止這么簡單。圍繞著反物質(zhì)還有許許多多的問題，其中最基本的問題就是反物質(zhì)哪里去了？為什么我們的世界是物質(zhì)的而不是反物質(zhì)的？這涉及到我們現(xiàn)在宇宙存在的合理性。

　　根據(jù)大爆炸理論，宇宙產(chǎn)生初期，高能能量基團(tuán)產(chǎn)生出等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，產(chǎn)生的正反物質(zhì)對又會湮滅。這一過程伴隨著宇宙的膨脹循環(huán)往復(fù)。在膨脹過程中，宇宙慢慢冷卻下來。正反物質(zhì)對產(chǎn)生過程終止，現(xiàn)存的正反物質(zhì)應(yīng)該是等量的。

　　然而事實(shí)并非如此。我們的宇宙幾乎只由物質(zhì)構(gòu)成，如果有大量反物質(zhì)存在，就會不斷有湮滅過程產(chǎn)生，即使距離我們很遠(yuǎn)，依照人類現(xiàn)在的觀測手段來講，也是能夠觀測到的。但是我們并沒有看到。我們的物質(zhì)世界主要是由粒子而不是反粒子構(gòu)成，這就是著名的正反物質(zhì)不對稱性謎題或者叫電荷-宇稱不守恒（CP破缺）。

　　1956年，華裔美籍物理學(xué)家楊振寧（Chen Ning Yang）（現(xiàn)為中國籍清華大學(xué)教授）和李政道（Lee Tsung-Dao）發(fā)現(xiàn)了弱相互作用下宇稱不守恒。同年，華裔美籍女物理學(xué)家吳健雄（Wu Chie-Shiung）用鈷-60的弱衰變證明了楊-李的理論。次年，楊、李二人即獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。正是由于正反物質(zhì)不對稱，才造成我們今天的宇宙主要由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成，即使這種對稱性破缺程度只有百萬分之一，當(dāng)今宇宙的存在就是合理的。

　　粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型告訴我們，任何一種物質(zhì)基本粒子都存在對應(yīng)的反粒子，當(dāng)然有的粒子的反粒子就是它本身，比如光子，夸克對應(yīng)的反粒子是反夸克，根據(jù)夸克模型，歐洲核子中心制造出的反質(zhì)子是由兩個(gè)反上夸克和一個(gè)反下夸克構(gòu)成的，即p（`u`u`d），而質(zhì)子是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成的，即p（uud）。

　　那么，我們又如何區(qū)分正反物質(zhì)的，比如電子和正電子呢？物理學(xué)家使用磁場就可以做到。帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而改變運(yùn)動狀態(tài)，這樣就可以將正電子和電子區(qū)別開來。當(dāng)然你還需要從質(zhì)量以及其他量子數(shù)的檢測來確定它就是電子的對應(yīng)伙伴——正電子，而不是其他帶正電的粒子。

　　也許有人會問，怎么知道世界是物質(zhì)的而不是反物質(zhì)的呢？這是因?yàn)槲覀兿劝l(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，“物質(zhì)”和“反物質(zhì)”只是兩個(gè)名稱而已。如果在另一個(gè)宇宙中，科學(xué)家為宇宙的組成命名為“反物質(zhì)”，那么它們就是一個(gè)“反物質(zhì)”世界。說不定，有一個(gè)“鏡中”的世界，存在于我們的平行時(shí)空里，那里也有一個(gè)你的對應(yīng)者！