反物质，宇宙的镜像世界

来源：光明网-《光明日报》

作者：宋宁强（中国科学院理论物理研究所副研究员）

如果，反物质真的存在，它们在哪里？当前物理学知识认为，在宇宙诞生之初，正物质与反物质应是等量存在的。那么，在我们这个物质世界之外，是不是还有一个完全相反的世界？如果并没有一个“反世界”，那么，又是什么让正物质保留了下来，构成了今天的世界？如今，反物质已经成为研究的热点和焦点。

反物质究竟是啥？

想象一下，当你每天起床洗漱的时候，面前的镜子里出现了一个与你对称的人影。他有着和你一样的相貌，做着同样的动作，却处在“相反”的空间。镜子中的人影就是反物质的一种体现——反物质是物质的“镜像”。在物理学中，反物质是与普通物质相对应的一种存在。

每种粒子，例如电子、质子、中子，都有一个“反粒子”，它们的质量相同，但电荷等性质相反。当反物质与普通物质相遇时，双方会相互湮灭，释放出能量——这就是反物质与普通物质之间最引人瞩目的特性，湮灭性。

反物质的发现可以追溯到20世纪初。1928年，英国物理学家保罗·狄拉克试图将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论相结合来描述电子时，通过数学推导发现，方程的解中必须引入一种“负能量状态”的粒子，他由此首次预言了电子的反粒子——正电子的存在。1932年，美国物理学家卡尔·安德森在研究宇宙射线时，通过云室实验首次观测到正电子的轨迹。带负电的电子在磁场中偏转向了一个方向，而带正电且质量相同的粒子偏转向了另一个方向，这证实了狄拉克的预言。随后，1955年，物理学家钱伯伦、塞格雷、维冈德、伊普西兰蒂斯在美国劳伦斯·伯克利国家实验室的前身，通过回旋加速器中高能粒子的碰撞，首次人工产生了反质子。

在反物质的研究中，中国也在发力。特别是最近几年，中国科学家有了很亮眼的表现。2024年8月，我国科学家在一项国际合作实验中，通过重离子碰撞，成功观测到了反超氢-4。这是科学史上迄今为止观测到的最重的反物质超核，实现了在反物质研究中新的突破。

为什么要研究反物质？

我们生活在一个物质占绝对主导的世界，自然界中的反物质极为稀少。即使是高能宇宙射线中的反粒子，也会迅速与地球大气中的物质湮灭。既然如此，科学家们为什么还要花费巨额成本去研究它？因为，研究反物质是我们了解物质世界的重要窗口。这里，笔者给大家介绍研究反物质的三个“小目标”。

目标一：反物质去哪了？这是著名的“重子不对称问题”。宇宙大爆炸理论认为，在宇宙诞生初期，物质和反物质应该是等量产生的，但今天我们观察到的宇宙几乎完全由物质组成。通过研究反物质，科学家希望找出物质为何在宇宙中占据主导地位的答案，进而揭示宇宙的形成机制。这是现代物理最重要，也是最根本的未解之谜之一。近年来，对物质-反物质对称性破缺的研究成为一个突破口——这种对称性破缺可能解释，为何反物质在大爆炸后的早期阶段逐渐“消失”，只留下了少量优势的物质，这种微妙的不对称可能是宇宙存在的根源。

目标二：我们发现的物理定律对反物质适用吗？这是要测试物理定律的对称性。有助于推动对基本物理定律的理解，甚至发现新的物理规律。比如，反物质会不会受到地球引力的吸引？换句话说，如果把一团反物质放在空中，它会像苹果一样往下掉吗？这个问题看似简单，但其背后隐藏着对爱因斯坦广义相对论和物理基本对称性的严峻挑战。根据广义相对论，所有物体都应该以相同的方式响应重力场，不管它们的质量大小、组成成分、是物质还是反物质，这叫做“等效原理”。这个原理，在普通物质上已经被反复验证，但在反物质上，却一直悬而未决。

我们最近有了能力以实验去“测试”它。反氢原子是由一个反质子和一个正电子组成的反物质原子，它是氢原子的镜像版——理论上，它与氢原子有相同的质量、相似的结构，只不过构成的基本粒子是反的。欧洲核子研究中心的科学家们首次成功地制造并“捕捉”到反氢原子。他们利用强磁场将反氢原子悬浮在真空中，防止它与容器接触发生湮灭。2023年，实验团队“关掉”了磁场，让反氢原子在无外力作用下自由运动。实验结果表明，反氢确实会向下掉落，其响应引力的方式与普通物质一致，在当前的测量精度范围内，没有发现明显差异。虽然目前的实验精度还不够高，但这已经是一个重大的里程碑。它告诉我们，爱因斯坦的广义相对论很可能也适用于反物质，这进一步巩固了现代物理的基石。此外，科学家们同样通过测量反氢原子的光谱，来检验描述微观基本粒子相互作用的物理理论的精确性以及物质和反物质的不对称性。

目标三：研究暗物质。暗物质在宇宙结构的形成和演化中发挥着重要作用，但是它既不发光也不吸收光，至今尚未被直接探测到。如果存在暗物质的“镜像”——反暗物质，它们之间就能够湮灭，产生更多的反物质。科学家们在地球空间轨道上发射了一些探测器去测量地球周围的反物质。令人惊讶的是，他们观测到了比预想中更多的正电子和反质子，甚至寻找到了反氦核的迹象。许多科学家认为，在银河系中心存在着高密度的暗物质和反暗物质，它们湮灭产生的反物质，最终导致了我们在地球附近观测到的反物质超出。虽然这些反物质超出的起源仍然有待确认，但是反物质的研究的确为我们解开暗物质的谜团打开了一个新的窗口。

反物质研究有用吗？

反物质也并非只能在理论和实验物理研究中存在，它已经悄然改变我们的生活。正电子发射断层扫描（PET）就是利用正电子进行的医学成像技术——医生在患者体内注射含有放射性正电子的示踪剂，当正电子与电子湮灭时会释放出光子；通过追踪这些光子，成像仪能够重建出高精度的体内代谢图像。

这并不是反物质研究在健康领域的唯一用途。欧洲核子研究中心也在2003年至2013年间开展了反质子细胞实验（ACE），旨在评估反质子在癌症治疗中的有效性和适用性。这个实验汇集了来自全球10个研究机构的物理学家、生物学家和医学专家，共同研究反质子对生物细胞的影响。到目前为止，粒子束疗法主要使用质子来摧毁癌细胞。这些粒子以预定的能量被送入患者体内，刚好在到达肿瘤特定深度时停止。然而，在摧毁癌细胞的同时，粒子束也会影响健康细胞，重复治疗会增加对健康组织的损害。ACE实验尝试了一种新方法，那就是使用反质子来治疗癌症。反质子和癌细胞相遇时，它们会像“爆炸”一样相互摧毁。实验利用这一效应，让反质子与癌细胞原子核的一部分湮灭。湮灭释放的能量将原子核炸开，并将碎片投射到相邻的癌细胞中，从而摧毁它们。实验发现，使用反质子能够更高效地摧毁癌细胞，同时减少对健康细胞的伤害。尽管ACE实验已于2013年结束，将反质子应用于临床治疗仍然面临诸多挑战，但其研究结果为未来癌症治疗方法提供了新的视角。

反物质也是一种具备巨大潜力的能源。反物质与普通物质湮灭时，几乎100%的质量都会转化为能量，产生的能量密度是传统化石燃料的10亿倍，是核电站的1000倍。反物质和物质湮灭时产生的能量也是纯粹的，不会留下任何污染或温室气体。若能克服当前的技术瓶颈，实现高效可控的反物质存储和利用，那么反物质将成为一种近乎完美的清洁能源。

反物质的这一特性为星际旅行提供更多可能。反物质火箭引擎的理论推力可以达到普通火箭引擎的千万倍以上。有科学家估计，使用反物质燃料的火箭，其速度有可能达到光速的15%。这意味着，从地球到月球的旅程，可能只需要短短的9秒。而反物质的高能量密度意味着，即使携带少量的反物质，也能为航天器提供足够的能量，进行长时间的深空探索。这对于星际旅行来说至关重要。虽然反物质火箭引擎的实现还面临诸多困难，但随着科学技术的进步，这些难题有望逐步得到解决。反物质作为未来航天领域的一种潜在革命性技术，正吸引着全球科学家的关注和努力。到了那一天，人类的太空探索将进入一个全新时代，星际旅行将成为现实！

你问我答

问：在不少科幻作品中，反物质被描绘成无比危险、稍有不慎就毁天灭地的“终极武器”——物质和反物质湮灭时能够释放巨大的能量。反物质会摧毁世界吗？

宋宁强：目前大家完全不用担心。的确，根据爱因斯坦的狭义相对论，1千克反物质与1千克物质湮灭，可释放约4300万吨TNT爆炸的能量，相当于人类历史上最大的氢弹。然而，地球上几乎无法自然产生稳定存在的反物质。实验室中制造的反物质数量极少，制造成本也极其高昂——欧洲核子研究中心一年制造的反质子仅为十亿分之一克量级，制造1克反物质需要消耗的能量就相当于全世界四万年的电力消耗，成本超过6000万亿美元。此外，储存反物质也极为困难，任何容器都由物质组成，一旦反物质接触到容器壁，就会湮灭消失。科学家专门开发了“磁瓶”等技术通过磁场将反物质“悬浮”起来，暂时保存在真空中，但效率和稳定性都很低。现阶段，用它来制造“反物质炸弹”几乎不可能。

《光明日报》（2025年05月22日 16版）