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反物质浅谈 (下)

- 卢昌海 -

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四. 从反粒子到反物质

正电子成为人类发现的第一种反粒子并非偶然。 因为与之相比, 其它反粒子要么在宇宙线及天然放射源中比较稀少, 而早期加速器的能量又不足以产生; 要么由于相互作用太弱而不易检测, 其发现的难度都远远大于正电子。 因此自正电子被发现之后, 发现反粒子的步伐停顿了下来, 直到二十几年后才迎来了一轮爆发。 1955 年, 意大利物理学家赛格雷 (Emilio G. Segrè) 与美国物理学家张伯伦 (Owen Chamberlain) “领衔” 发现了反质子 (赛格雷和张伯伦获得了 1959 年的诺贝尔物理学奖); 次年, 美国物理学家考克 (Bruce Cork) 及其合作者又发现了反中子。 至此, 组成物质的三种最重要粒子的反粒子都被发现了。 此后, 随着加速器能量的持续提高, 其它基本粒子的反粒子也被陆续发现——当然, 后来的那些发现对物理学家们来说已毫无悬念, 因为在理论上, 除少数粒子与自己的反粒子相同外, 所有其它粒子都该有自己反粒子的观念早已确立。

不过尽管反粒子的发现和产生已不再稀罕, 但反粒子很容易被 “正” 粒子湮灭, 因此如何保存它们依然是一个极大的技术难题。 直到 20 世纪 80 年代, 物理学家们才开始掌握了保存少量反粒子的手段。 但是要想保存更多的反粒子, 却又面临另一个技术难题, 因为带同种电荷的反粒子相互排斥, 中性的反粒子又不稳定。 在这种情况下, 要想积累反粒子, 一种可能的手段是让反粒子象普通粒子配成原子那样配成中性的反原子。 但是让那些极易湮灭, 通常又高速运动的反粒子乖乖地组成原子又谈何容易? 这项工作直到 1995 年才由德国物理学家欧勒特 (Walter Oelert) 领导的实验小组所完成, 他们在欧洲核子中心 (CERN) 的低能反质子环 (Low Energy Antiproton Ring) 上成功地制备出了 9 个反氢原子。 虽然只有区区 9 个, 与普通原子动辄就是几个摩尔——一摩尔约有 6,000 万亿亿个——的海量相比少得简直不值一提, 但这一消息 1996 年初一经披露立即引起了世界性的轰动。 许多大媒体用显著标题进行了报道, 欧勒特本人也受到了媒体记者的 “围追堵截”, 有记者甚至试图把他从飞机上拦截下来进行采访。 反氢原子的制备之所以引起媒体如此广泛的关注, 一个很重要的原因是因为原子和分子是承载物质物理和化学性质的基本组元。 从这个意义上讲, 反氢原子的成功制备是人类有史以来首次制备出了反物质, 此前所研究的只能称为是反粒子而不是反物质。 对媒体来说, 这无疑是一个极大的兴奋点。

不过欧勒特制备反氢原子虽是欧洲核子中心有史以来最受媒体关注的新闻之一, 但该中心的粒子物理学家们却大都只是将之视为实验工艺上的成就, 有人甚至戏称其为 “新闻实验”。 因为从理论上讲, 由反粒子组成反原子乃是稀松平常之事; 而从实用的角度讲, 欧勒特制备的反氢原子不仅数量稀少, 而且存在的时间也短得可怜, 只有一亿分之四秒, 距离实用无疑还差得很远。 欧勒特实验成功后的第二年, 欧洲核子中心关闭了为这一实验及其它三十几个实验立下过汗马功劳的低能反质子环。 这个低能反质子环在它服役的 14 年间总共产生了超过 100 万亿个反质子。 如果把这些反质子全部当成反物质燃料与质子湮灭, 它们所产生的能量大约可以让一盏 100 瓦的灯泡点亮 5 分钟[注一]。 将这点微不足道的能量与 14 年间为产生这些反质子而消耗的巨大能源相比, 不难看到用反物质作为能源在目前还是极度得不偿失的。

但这些技术上的困难并不妨碍人类的想象力将反物质作为未来可能采用的一种能源。 这种能源除了具有理论上最高的转化效率外, 还有一个非常吸引人的优势, 那就是洁净。 我们知道, 传统的能源, 无论是化学能还是核能, 通常都会在使用后产生有害的残留物, 比如废气、 核废料等, 而正反物质的湮灭却可以将燃料彻底转化为能量, 从而不留下任何残留物质, 因此它是一种理论上最洁净的能源。 这样既洁净又高效的能源不仅是科幻小说家的最爱, 对于工程和军事领域来说也有着无穷的魅力。 比如早在 20 世纪中叶, 美国氢弹之父泰勒 (Edward Teller) 和苏联氢弹之父萨哈洛夫 (Andrei Sakharov) 就各自提出过制造反物质武器的可能性。 在美苏冷战的后期, 伴随 “星球大战” 计划的展开, 美国军方开始了对反物质武器的研究。

不过, 反物质武器的制造除了有上面提到的困难外, 还会面临一个意想不到的难题, 那就是正反物质相互接触时, 因湮灭而产生的辐射压会将正反物质剧烈推开, 从而急剧减缓能量释放的速度。 这种效应的一个 “日常生活版” 很多人也许早已见过, 那就是: 将一滴水滴在热锅上, 水会渐渐蒸发, 一般来说, 锅越热, 蒸发就越快, 可是当锅热到一定程度后, 水滴的蒸发状况会发生显著变化, 它会在热锅上四处移动甚至跳跃, 蒸发速度则反而大为减缓。 这种有趣的现象早在两百五十多年前就被一位名叫雷登弗罗斯特 (Johann Gottlob Leidenfrost) 的德国医生注意到了, 因而被称为雷登弗罗斯特效应 (Leidenfrost effect)。 雷登弗罗斯特效应的物理机制是: 当锅热到一定程度后, 水滴剧烈气化产生的蒸汽会在水滴与锅之间产生一层蒸汽膜, 阻隔两者的进一步接触, 从而急剧减缓水滴的蒸发速度。 这种机制也适用于正反物质的接触, 只是蒸汽膜换成辐射层而已。 雷登弗罗斯特效应对反物质武器的制造是一种障碍。 不过, 随着前苏联的解体和冷战的落幕, 近乎军事 “大跃进” 的反物质武器研究本就很快遭到了放弃。

到目前为止, 除了基础物理研究外, 反物质的主要应用领域是在医学影像方面。 由于技术水平及反物质数量的稀少所限, 多数其他类型的反物质应用起码在目前还是很不现实的。 不过, 让想象力自由驰骋的话, 未来的希望总是有的。 比方说, 假如宇宙中存在足够规模的天然反物质源, 情况就将有所不同, 因为那样我们就不必为制备反物质而费心了——虽然高效而安全地收集和保存反物质仍将是极具难度的挑战。

这就给科学家们提出了一个很大的问题, 那就是: 宇宙中有可能存在大规模的天然反物质源吗?

五. 宇宙的主人和客人

物理学家们曾经对这一问题作出过肯定的猜测。 狄拉克在他的诺贝尔演讲中就曾表示, 如果正反物质是完全对称的, 那么宇宙中完全有可能存在由反物质组成的星球。 如果将这种猜测发挥一下, 那么我们还可以设想宇宙中不仅存在由反物质组成的星球, 甚至有可能存在由反物质组成的生物。 另一方面, 在宇宙大爆炸初期的极高温条件下, 正反物质的产生应该是同等可能的, 从这个角度讲似乎也有理由预期宇宙中存在大量的反物质, 甚至在数量上与物质等量齐观。

但随着理论和观测的逐步深入, 这些初看起来不无合理性的猜测渐渐冷了下来。

首先可以明确的一点是: 由于反物质与物质会相互湮灭, 因此在我们所生活的这颗小小的蓝色星球上, 象发现煤矿或铀矿那样发现 “反物质矿” 是完全不可能的。 不仅如此, 反物质在整个太阳系中的存在也是微乎其微的, 因为否则的话, 由太阳发出, 被称为太阳风的粒子流与反物质之间的湮灭早就应该被发现了。 再往远处看, 情况也没有实质的改变, 虽然宇宙射线中存在一定数量的反粒子, 有些地方甚至存在反粒子源, 但那些反粒子大都来自普通物质所参与的高能物理过程。 迄今为止并无任何确凿的证据, 表明宇宙中可能存在反物质星球, 或任何其它大范围的反物质分布。

事实上, 不仅没有确凿证据表明宇宙中存在大范围的反物质分布, 相反, 却有不少证据表明大范围的反物质分布不太可能存在。 这种证据之一来自于宇宙中重子——主要是质子和中子——数量和光子数量的比值。 我们知道, 极早期宇宙中充斥着各种基本粒子, 它们随时被高能物理过程所产生, 也随时相互湮灭。 当宇宙的温度逐渐降低时, 粒子的产生过程开始受到抑制, 因为它们所需的能量越来越难以达到。 对于重子和反重子来说, 这大致发生在宇宙温度为 10 万亿度的时候。 在这个温度以下, 湮灭过程起到主导作用, 重子与反重子很快因为彼此湮灭而转变为光子或其它轻粒子。 在那样的过程中重子与反重子变得越来越少, 直至其密度低到连湮灭过程也无法有效进行为止, 那时仍残留的重子就组成了我们今天所生活的物质世界 (由此可见我们的物质世界是多么地来之不易)。 这种过程所导致的一个显而易见的后果, 就是今天宇宙中的重子数远远少于光子数, 而且早期宇宙中的重子与反重子越对称, 这种湮灭过程就会进行得越彻底, 今天宇宙中的重子数相对于光子数也就会越少。 观测表明, 今天宇宙中的重子数与光子数的比值大约为一比十亿 (10-9)。 这虽然已经是一个很小的比例, 但理论计算表明, 如果湮灭过程开始起主导作用时宇宙中的重子与反重子是完全对称的话, 这个比值还要小得多, 大约会是一比一百亿亿 (10-18)。 因此, 我们所观测到的重子数与光子数的比值是一个很有力的证据, 它表明早期宇宙中的重子与反重子是不对称的, 而我们赖以生存的整个物质世界正是这种不对称的产物, 是一个反物质极为稀少的宇宙。

有读者可能会问, 是否有可能出现这样的情况, 即早期宇宙中的重子与反重子完全对称, 只不过由于某种原因而彼此分离了开来, 从而没有发生有效的相互湮灭? 如果是这样, 那就既可以保持物质与反物质之间的对称性, 又可以解释为什么我们观测到的重子数与光子数的比值远比由对称性所预期的一比一百亿亿来得高。 应该说, 这是一个很不错的问题, 事实上, 物理学家们曾经考虑过这样的可能性。 但这种猜测有两个致命的弱点: 一是没有任何已知的物理过程可以将随机产生的重子和反重子有效地加以分离; 二是如果早期宇宙中真的存在过这种正反物质分离的情况, 那么正反物质的湮灭在空间分布上将是高度非均匀的, 这应该会在今天的宇宙微波背景辐射中留下遗迹。 这样的遗迹并未被发现, 因此这种可能性基本上可以被排除了。 因此, 无论观测还是理论都表明: 我们今天所生活的宇宙是一个正反物质不对称的宇宙, 物质是这个宇宙的主人, 反物质只是稀客。

六. 恼人的不对称之谜

既然我们所生活的宇宙是一个正反物质不对称的宇宙, 那么一个很自然的问题就产生了, 那就是为什么会出现这种不对称? 对此, 科学家们曾经有过两类不同的看法。 其中第一类看法认为正反物质的不对称是由初始条件决定的, 或者说是 “先天” 造就的。 显然, 这类看法比较消极, 几乎等于是回避问题。 令人欣慰的是, 这种 “偷懒” 的看法在暴胀宇宙论出现后受到了沉重的打击。 因为按照暴胀宇宙论, 宇宙创生之初即便存在正反物质的不对称, 也会在暴胀过程中被稀释得微乎其微。 因此初始条件并不能对今天观测到的正反物质的不对称给出令人满意的解释。

既然初始条件不足以解释正反物质的不对称, 那我们就只能寄希望于宇宙创生之后所发生的具体物理过程了, 这就是第二类看法。 这类看法认为我们今天观测到的正反物质的不对称是由某些特定类型的物理过程产生的。

那么, 究竟什么样的物理过程才能造成正反物质的不对称呢? 早在 1967 年, 苏联氢弹之父萨哈洛夫就提出了那样的物理过程所需满足的三个条件:

  1. 必须破坏费米子数守恒。
  2. 必须破坏 C 和 CP 对称性。
  3. 必须破坏热平衡。

这些条件后来被称为萨哈洛夫条件 (Sakharov conditions), 是任何能够产生正反物质不对称的物理过程或物理理论所必须满足的。

萨哈洛夫条件中的第一条提到的费米子是组成物质的基本粒子, 比如电子、 质子和中子 (进一步细分的话, 质子和中子是由夸克组成的, 而夸克也是费米子)。 所有费米子的费米子数都是正的, 而反费米子的费米子数则是负的。 如果宇宙中的正反物质完全对称, 那么总费米子数将是零。 由于我们的宇宙中普通物质远比反物质多, 因此总费米子数是正的。 任何物理过程或物理理论要想让宇宙从正反物质完全对称 (从而总费米子数为零) 的状态演化到如今这个费米子数为正的状态, 就必须改变总费米子数, 从而必须破坏费米子数守恒。

萨哈洛夫条件中的第二条提到的 C 和 CP 对称性分别是基本粒子层次上的正反粒子对称性及正反粒子与宇称联合对称性。 其中正反粒子对称性要求将一个物理过程中的所有粒子替换成相应的反粒子时, 过程发生的几率不变。 正反粒子与宇称联合对称性则是指在上述替换的同时再将物理过程换成它的镜像 (好比是透过一面反射镜去看它) 时, 过程发生的几率也不变。 这两个对称性之所以必须被破坏, 是因为否则的话, 任何可以造成物质多于反物质的物理过程都会伴随一个与它同样可能的、 造成反物质多于物质的过程 (即上述替换过程), 这样两类过程的效果将会相互抵消。

最后, 萨哈洛夫条件中的第三条之所以必须满足, 是因为否则的话, 任何可以造成物质多于反物质的物理过程都将与处在热平衡的逆过程相互抵消。

这三个条件虽被称为萨哈洛夫条件, 不过萨哈洛夫本人在其长度只有三页的短文中其实并未如此鲜明地表述过这三个条件, 这些条件是后人依据他的思路所归纳及重新表述的。

在这三个条件的基础上, 物理学家们提出了许多理论模型, 试图对正反物质不对称的起源作出定量解释。 这些模型从相对简单的电弱统一理论 (它是粒子物理标准模型的一部分), 到各种各样的大统一理论, 以及标准模型的超对称推广, 种类繁多、 应有尽有。 但迄今为止, 它们各自都存在一定的缺陷, 或是结果的数量级不对, 或是求解的困难度太大、 或是过于特设、 或是过于任意, 尚无一个令人满意。 不过尽管如此, 现代物理为正反物质的不对称找到一个合理解释的前景看来是并不悲观的。

七. 结语

限于篇幅, 我们有关反物质的介绍到这里就要结束了, 虽然自人类发现反粒子迄今已有大半个世纪, 但在理解物质与反物质的关系上还存在许多待解之谜。 除了宇宙学尺度上正反物质的不对称外, 在微观尺度上正反粒子也存在着令人困惑的不对称。 物理学家们曾经认为, 如果我们把一个微观物理过程中的所有粒子都替换成相应的反粒子, 并且透过一面镜子去看它, 那么我们所看到的新过程将与原过程有着相同的发生几率。 这种对称性就是我们介绍萨哈洛夫条件时提到的 CP 对称性。 由于这种对称性, 反物质有时也被称为镜像物质。 但令人困惑的是, 这一对称性既非完全成立, 也非完全不成立, 而是非常接近成立[注二]。 大自然为什么要让这面特殊的镜子如此接近完美却又不让它真正完美呢? 我们不知道。

反物质是宇宙中的稀客, 但这稀客是从相对意义上讲的, 宇宙中反物质的绝对数量依然是极其庞大的, 足以为科幻小说留下巨大的驰骋空间, 这是值得庆幸的。 只不过, 反物质星球的存在看来是极不可能的, 因为没有任何天然的物理过程能够让反物质有效地汇集起来, 并在这一过程中免遭普通物质的 “致命骚扰”。 而反物质生物的存在则比反物质星球更加不可能得多, 因为即便存在反物质星球, 在那种星球上要想演化出生物来也是难以想象的。 我们知道, 即便在距离太阳系的形成已有约 50 亿年、 太阳系空间已相当 “干净” 的今天, 地球每天仍会受到上千万次的陨石撞击 (这些陨石绝大多数在大气层中烧毁, 只有少数落到地上, 因此我们不必担心它们会恰好砸在我们头上), 这些陨石的总质量约有几吨。 这样的质量相对于庞大的地球来说无疑是微乎其微的, 但同样的情形如果发生在一颗反物质星球上, 那么这几吨的陨石 (普通物质) 与星球上的反物质湮灭所释放的能量将相当于上百万颗广岛原子弹爆炸所释放的能量[注三]。 要在一个每天被上百万颗原子弹轰击的星球上产生生物, 这恐怕是最高级的想象力也难以胜任的。

因此, 如果有朝一日我们与某种外星球的高等生物建立了联系, 我们可以大大方方地伸出手去和他们相握 (如果握手对他们来说也代表友善的话), 而不必担心大家会在这样的亲密接触中相互湮灭[注四]

注释

  1. 顺便提一下, 本文的参考文献之一, 欧洲核子中心编辑弗雷泽 (ordon Fraser) 的《Antimatter: The Ultimate Mirror》一书对这一能量作了错误的估算。
  2. 在 1957 年以前, 物理学家们想当然地认为所有这类离散对称性都是严格的, 直到 1957 年宇称对称性倒下之后, 才开始对离散对称性进行区分, 但它们大都象多米诺骨牌似地也倒下了。 CP 是倒得比较慢的一个, 前后也只经过了 7 年。
  3. 有读者可能会问: 为什么不干脆假定那些陨石也是反物质? 从纯粹假定的角度上讲, 自然是可以的, 但我们的讨论有一个前提, 那就是承认我们这个宇宙——如目前的理论与观测所表明的——是一个物质为主的宇宙。 在这样的宇宙中, 越是大尺度的反物质分布就越不可能。 因此我们对反物质出现的尺度只做最低限度的假定。
  4. 不过, 如果我们真的担心他们有可能是反物质构成的, 也有办法在见面之前加以确认, 确认的方法就是利用刚刚提到过的微观世界正反粒子之间的不对称性。 李政道在其教材《Particle Physics and Introduction to Field Theory》(科学出版社出版过中文版:《粒子物理和场论简引》) 的第 9.2 节中对这一问题作了饶有趣味的论述, 感兴趣的读者可以参阅。

参考文献

  1. G. Börner, The Early Universe (Springer-Verlag, 1993).
  2. J. M. Cline, Baryogenesis, hep-ph/0609145.
  3. G. Fraser, Antimatter: The Ultimate Mirror (Cambridge University Press, 2000).
  4. R. D. Peccei, Matter-Antimatter Asymmetry in the Universe and an Arrow for Time, hep-ph/0608226.
  5. A. Riotto and M. Trodden, Recent Progress in Baryogenesis, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 49 35-75 (1999).
  6. S. S. Schweber, QED and the Men Who Made It, (Princeton University Press, 1994).
  7. S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields vol. 1 (University of Washington Press, 1994).

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