■ 邢志忠 / 文
最近两期的《科学世界》主打文章，主角是大名鼎鼎的Hitoshi Murayama（春山齐）。我在先前的博文中有介绍，他担任Director of the Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (IPMU)，被妻子和朋友简单地戏称为Director of the Universe。据说每一个成功的男人背后都有一个或几个默默奉献的女人，但我们不一定看得见她们，因为她们如同反物质或暗物质一样神秘而重要。我们现在看到的是Hitoshi美丽的妻子站在他身边，两个人似乎很有夫妻相。
《科学世界》2016年第6期卷首语（邢志忠）
为什么地球、月亮、太阳、银河系以及人类自身是由物质（即质子、中子和电子）而不是反物质（即反质子、反中子和正电子）构成的？为什么我们没有观测到足够数量的反物质存在于宇宙空间之中？诸如此类的问题在1932年以前无人关注，原因在于那时人类所知道的基本粒子仅限于电子、质子和中子。反物质尚未被发现，因此物质与反物质不对称的问题也无从谈起。本期的主打文章《村山齐博士剖析“反物质之谜”》探讨的就是这一粒子宇宙学的重大难题。
反物质的概念是英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）在1928年提出来的。他推导了电子的相对论性运动方程,发现具有相同质量但携带相反电荷的粒子也满足该方程,从而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（Carl Anderson）通过实验证实了狄拉克的预言。他发现宇宙线中存在正电子，而且这种粒子能够与电子成对地产生或湮灭。在1933年底的诺贝尔物理奖颁奖典礼上，狄拉克对物质与反物质之间的对称性做了精彩的表述。他说：“如果我们在研究自然界的基本物理规律时接受粒子与反粒子完全对称的观点，我们就必须认定地球上乃至整个太阳系主要包含电子和质子的事实纯属偶然。很有可能在一些其他的星球上情况正好相反，即这些星球主要是由正电子和反质子构成的。实际情况也许是，半数的星球由物质组成，而另外半数的星球由反物质组成。这两类星系的光谱完全相同，目前的天文观测手段无法区分它们。”狄拉克这番话代表了一种新宇宙观的诞生：整个宇宙包含等量的物质与反物质，两者之间是严格对称的。
但是迄今为止的天文学观测并不支持狄拉克的假说。探测宇宙中的反物质有两种途径。首先，如果存在由反物质组成的星系，我们应该能够在宇宙线中观测到反质子和反原子核，就像宇宙线中存在质子和原子核一样。然而，我们从未在宇宙线中发现反原子核。虽然我们在宇宙线中观测到了少量的正电子、反质子和反中子，但这些反粒子实际上是通过质子或原子核与星系气体以及地球大气层相碰撞而产生的，它们的数量与理论计算相符合。其次，在物质与反物质相接的区域，质子和反质子的湮灭反应一定会发生，从而产生若干带电及中性的介子。这些介子最终衰变成光子、电子、正电子、中微子和反中微子。其中光子的谱线很特别，其能量应在150 MeV附近取最大值。可是天文学观测并没有发现这种特殊的光子能谱。因此科学家得出结论：半径大约为100亿光年的可观测宇宙空间中基本不存在反物质，即宏观上根本不存在狄拉克所预言的物质与反物质之间的对称性。然而宇宙起源的标准理论认为，物质与反物质在大爆炸之初的确是成对或等量产生的。那么原初反物质究竟是怎样消失的呢？
前苏联氢弹之父萨哈罗夫（Andrei Sakharov）在1967年指出，宇宙的重子（即质子和中子）与反重子（即反质子和反中子）不对称可能并不依赖于大爆炸的初始条件，而是从开始的完全对称状态通过某种动力学过程演变成后来的完全不对称状态。实现这样的动力学演变需要三个必要条件：重子数破坏、电荷共轭与宇称联合对称性（CP）破坏，以及对热平衡的偏离。粒子物理学的标准模型原则上满足上述条件，但它却无法定量地解释可观测宇宙的重子与反重子不对称之谜。1986年，日本物理学家福来正孝（Masataka Fukugita）和柳田勉（Tsutomu Yanagida）指出：如果早期宇宙空间中存在超重的马约拉纳（Majorana）中微子，它们的衰变过程可望产生足够大的CP破坏效应并导致轻子与反轻子之间的不对称，而后者可以通过电弱反常过程转化成重子与反重子之间的不对称；随着宇宙的膨胀和冷却，重子和反重子对相互湮灭，最终剩余下来的重子成为构成物质世界的种子。这就是著名的“轻子生成”（Leptogenesis）机制，它合理地回答了为什么我们今天生活在物质世界而不是反物质世界这样一个令人费解的基本问题，但我们其实还没有足够的理由相信它就是人类苦苦寻找的那个关于反物质消失之谜的真实答案。
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