我们从何而来？科学家正试图揭示宇宙诞生的奥秘

我们从何而来？物理学家正试图通过轰击反氢原子来揭示其中的奥秘。

在无数的科幻小说中，反物质被当成一种虚构的能量来源。但它并不仅仅是一种了不起的能量来源，它的存在可以帮助我们揭开自身存在的奥秘。

这可以解释为什么物理学家们会极其关注最近《自然》杂志（Nature）刊载的一篇论文。因为那篇文章概述了欧洲核子研究中心（CERN）利用反氢原子所做实验的结果，而那个结果对物理学家来说又非常重要。

上文所述的实验名为“阿尔法（ALPHA）”，它涉及到用激光轰击反氢的一些原子，以及观察它们会否做出类似于正常普通物质的反应。

目前看来，它们的确是做出了正常的反应。但这里面却存在一个问题：如果物质和反物质都是这样的，我们就不应该存在。

正反物质的湮灭反应

物质是由带正电荷的质子、不显电性的中子以及带负电荷的电子组成的。在任何不显电性的原子中，质子和电子所带的电荷达到了相互平衡。

反物质也是由质子和电子组成的，但它们各自所带的电荷恰与我们所熟知的质子和电子相反。所以，反质子带的是负电荷，反电子（也就是正电子）带的是正电荷。

物质和反物质在接触时会发生湮灭，并爆炸产生光子和高能粒子。然而，目前流行的宇宙起源模型，也就是宇宙大爆炸（Big Bang）理论却认为，整个宇宙曾经被塞在一个奇点当中——在大爆炸发生时，物质和反物质是等量的。

若真是那样的话，整个宇宙应该到处充斥着光子及时不时出现高能粒子，再无他物了。但事实情况并非如此。

物理学家估计，在大爆炸发生时，每产生10亿个反物质粒子，就会产生10亿零1个物质粒子。我们如今充满物质的世界就是这样来的。

怎样得到反物质水？

与此同时，物理学家没有特别的理由认为，物质和反物质应该具有不同的物理学特性（它们发生接触时另当别论）。一块反物质铁块看起来跟我们所知的铁块不会有什么区别，反物质元素的物理学特性应该跟正常元素一样。

把反氢原子和反氧原子结合在一起，你就能得到反物质水。到目前为止，预言了反物质这种特性的粒子物理标准模型和量子力学被证明是正确的。

虽然保罗·狄拉克（Paul Dirac）在1928年就构想出了反物质的概念和理论，但它们却直到1932年才被物理学家发现。而反电子更是在1955年才被察觉。

这是因为，要创造反物质，你必须产生出巨大的能量，并将之变成“物质”。而在地球上的实验室里，实现这一点的唯一方法是通过粒子加速器。

因此，创造出一个反氢原子确实是了不起的伟业。这就可以解释，为什么我们唯一涉及反物质常规应用的技术只有正子断层扫描（PET scan），而并非《星际迷航》（Star Trek）里描述的那种“物质-反物质”动力。

如果没有极其复杂精密的设备仪器支持，物理学家几乎没有可能对关于反物质物理学特性的理论进行验证。

阿尔法实验的用武之地

参与该实验的物理学家希望研究反氢的原子，观察它们从一个能量状态转变到另一个能量状态的变化。

这样的状态转变在自然界比比皆是。诸如我们看到的霓虹灯光线以及发光的闪电。

在这两种情况下，要么是电离化的原子捕获了一个电子，要么是原子核周围的电子跃迁到了较高的能量状态。之后，电子会落向较低的能量状态，并释放出我们所看到的光子。

由于创造反物质异常困难，阿尔法实验只涉及到很少的反氢原子（共14个）。为了观测到它们的状态转变，研究人员发射激光轰击那些反氢原子，让其中一些电离化。

反氢原子对激光做出反应的方式似乎跟正常氢原子是一样的，它们都经历了相同的能量状态转变——至少这一实验的精度达到了100亿次实验大约2次偏差的程度。

因此，情况看起来似乎是，反氢原子的物理学特性跟氢原子是一样的。

然而，阿尔法实验小组的发言人、物理学家杰弗里·亨斯特（Jeffrey Hangst）却警告说，这一切只是告诉我们，这样的状态转变是可以被测量的。

他指出，当正常氢原子经历能量状态转变时，物理学家已经能够以极大的精度对其发出光的波长进行测量，而10^15（1000万亿）次测量只会出现1次差错。

如果我们想知道反氢原子的物理学特性是否真的跟氢原子一样，那么阿尔法实验的精度还需要再提升五个数量级。

在2017年更进一步的实验中，物理学家将做出更加精确的测量。他们还将开展另一组实验，测试反氢原子对重力的反应——即抛下反氢原子，观察它们如何下落。

如果你同时逆转电荷属性，把某件东西转变成它的镜像，并扭转时间，那么物理学定律看起来应该是一样的。

假设那些实验同样显示反氢原子的表现跟氢原子没有区别，那将意味着标准模型、量子力学乃至相对论取得了更进一步的胜利。同时也将表明，物理学中一种名为CPT（电荷-宇称-时间）的对称是成立的。

CPT对称就是说，如果你同时逆转电荷属性，把某件东西（比如一个粒子）转变成它的镜像，并扭转时间，那么物理学定律看起来应该是一样的。

这种对称是很多物理学定律的基础——如果它出错了，即便只错了一点点，那也将意味着我们所信赖的很多物理学定律是不完整的。

这就可以解释，为什么物理学家会对阿尔法实验及其未来版本异常兴奋。

“CPT对称是所有量子场论绝对的基石，而不只是标准模型的，”来自布法罗大学（University at Buffalo）的助理教授萨尔瓦托雷·拉波西奥（Salvatore Rappocio）说道，“不过，这种对称是极不可能被推翻的。而通过实验观测非常令人兴奋，因为我们提出的这个看似矛盾的假设是科学家赖以开展研究的基础。如果我们真的观测到了，那将成为整个量子物理中一场根本性革命的确凿证据。”

如果CPT对称在这些实验中得以保存，那意味着，无论它在哪里遭到破坏，原因都不在反物质身上——物理学家将从别处寻找我们为何存在的答案。

翻译：何无鱼

来源：Quartz

造就：剧院式的线下演讲平台，发现最有创造力的思想