神秘的镜像，看不见的世界，反物质真的存在吗？

2022-12-13 09:57:50 来源：科普中国

是否真的有一簇反物质环绕着我们的银河系？

反恒星发射出的反物质在地球上也能被探测到。

(资料图)

如同无法交融的阴阳两极，反物质的消散，是否意味着平衡已被打破？

（图解：图为电子以及它们对应的反物质——正电子，围绕着一颗中子星运动并相互纠缠的样子。为什么在宇宙中我们能看到的物质要远比反物质多得多？图源：NASA戈达德航天中心）

我们并不知道为什么宇宙当中的大部分地方都被正物质占据，但可以肯定的是，宇宙中一定存在完全由反物质构成的恒星，甚至还可能存在由反物质构成的星系。

这些反物质恒星会不断地将反物质发射至宇宙中，并且在高能粒子撞击地球的过程中以一种极小的占比被我们检测到。

不平衡的诞生

反物质和一般物质并没有什么区别，每个粒子都有一个双胞胎兄弟——反粒子。它们有着完全相同的质量、自旋状态以及几乎一切完全相同的特征，唯一的例外就是它们所带的电荷不同。比方说，电子的反粒子是正电子，它除了显正电性以外，其他特性与一般电子几乎一模一样。

基础物理的理论指出物质和反物质之间存在一种特殊的对称性——它们是彼此几近完美的镜像复刻。对于每个物质粒子而言，宇宙中都会存在一个和它对应的反物质粒子，看到这里想必你也会举目四望，却因为找不到一点反物质的痕迹而困惑不已。我们看到的地球、太阳系、乃至银河系间漂浮的尘埃都是一般物质，仿佛整个宇宙都是完全由一般物质组成的似的。

因为反物质只存在于两个地方。一个是在超能粒子对撞机（Ultra-powerful particle collider）[2]中——启动对撞机并激发亚原子物质，我们就能看到同时含有一般物质和反物质的射流喷涌而出。

另一个是宇宙射线[3]。宇宙射线并不是一种光线，而是一束疾驰着穿过茫茫太空并撞击到我们的大气层上的高能粒子。这些粒子源自于宇宙中发生的超高能反应过程（Ultra-powerful processes），比如超新星的诞生和恒星之间的碰撞，所以我们的物理定律对它们也同样适用。

但为什么反物质如此稀有？既然正物质和反物质能达到如此完美的平衡，那么这些反物质到底遭遇了什么？答案存在于早期宇宙中。

宇宙的未解之谜：反物质究竟去向了何方？

反物质星系

我们还不确定这种现象是什么原因导致的，但一定是年轻宇宙中的某些东西失去了原有的平衡。我们推测在美好的往昔（这里指的是宇宙诞生之初的瞬间），宇宙中物质和反物质的产量是相同的，但紧接着就发生了一些变故，使得一般物质比反物质产生得更多、更快。而且这种产量差异并不需要多么夸张，仅仅十亿分之一的差异就已经足以打破原有的平衡，已经足以让正物质成为整个宇宙的主宰，最终构成恒星、星系，以及现在的你我。

无论这个反应过程究竟如何——我应该提到早期宇宙中的这种反物质消减机制（Antimatter-killing mechanism）目前仍然是无法用已知的物理理论解释的，有很多问题仍然悬而未决——它大概都还没能完全达到自己的目的。早期宇宙极有可能还遗留下了许多一大团一大团的反物质，它们漂浮在宇宙的各个角落。

这些大团的反物质如果能存在足够长的时间，那么它们将在相对孤立的环境中长大。当然，它们也可能在四处游荡时与正物质相遇并发生碰撞，然后便在一阵高能粒子的闪光中湮灭[4]，这在年轻的宇宙中可是件不小的麻烦。可一旦反物质团通过了这种试炼，它们就将变得战无不胜。数十亿年间，这些散落在各处的反物质团有可能聚集到一起组成了更大的反物质团。

还记得反物质和一般物质的唯一区别就是它们所带的电性吗？——两者其余所有的物理运作机制都高度一致。

因此你能够制得反氢（Anti-hydrogen）[5]、反氦（Anti-helium）[6]以及其他所有的反元素；你能找到“反灰尘”，还有以“反核聚变”为能量来源的反物质恒星；你也可能出生在反物质行星上，用“反玻璃杯”喝清凉的“反水”，作为一个反物质人生活。

时光倒流

天文学家们不会猜想宇宙中是否存在完全由反物质构成的星系，因为它们与正物质相互作用时（比如两个星系间发生碰撞）必然会释放出极为巨大的能量，大到直至今天也依然能被我们注意到。但更小的反物质星团是有可能存在的。

球状星团[7]很小，是一种由不到一百万颗高密度恒星组成的星团，它们通常会环绕着更大的星系运行。我们通常认为球状星团都已经十分年迈，因为它们内部已经不会再形成新的恒星，而是挤满了体积矮小、发着黯淡红光的“老年人口”。同时，球状星团也基本不含有什么气体和星尘，而这些正是创造新生恒星所必须的燃料。它们是那个已经逝去并逐渐被人们淡忘的时代留下的遗迹，只在深空中漫无目的地游荡，笨拙又迟缓地围绕着它们那些体积更大、更活跃的兄弟星系环行。银河系的“随行人员”中就有大约150个这样的球状星团，而它们当中的一些成员就很有可能是由反物质构成的。

最近发表在预印本[8]网站arXiv[9]上的一篇论文中，一个理论天体物理研究组的学者们围绕“如果绕银河系环行的球状星团中的一员实际由反物质构成”的假设进行了推算，他们只提出了一个很简单的问题：若事实果真如此会发生什么？

首先我们可以排除发生爆炸的可能——除非这个球状星团竖直地穿过银盘[10]。因为反物质星团是由恒星组成的，这些恒星并不会占据很大的体积，所以发生碰撞和爆炸的概率并不太高。跟想象中不同，大部分反物质恒星有着与普通的恒星们相同的平淡日常，它们也和一般的恒星做着同样的事。比如不间断地发射着粒子流，或是拥有巨大的耀斑和日冕物质抛射事件，或彼此间发生碰撞，亦或以超新星爆发的方式华丽地从星际舞台退场。

所有这些反应过程都将释放出成吨的反粒子，它们被发射到反物质星团之外并被送到附近的宇宙中，也包括银河系和我们的太阳系在内，反粒子会作为宇宙射线的一部分出现在这些地方。那么，每天撞击在地球大气层上的那些反粒子有没有可能是某一颗反物质恒星在数百万年之前发射的呢？现在我们还很难给出一个确定的答案。可以肯定的是全体宇宙射线中一定混入了一部分反粒子，但是因为宇宙中的磁场改变了带电粒子（粒子与反粒子）的运动路径，所以我们很难准确地找到某一束宇宙射线的来源。

但如果天文学家能够锁定一个强烈活跃着的反粒子源球状星团，我们就能够像搭乘上时空胶囊一样，得以窥见这个宇宙原初之时霸主的真容。

我们也许永远都没有机会去拜访反物质星团，正反物质相遇即会湮灭的特性，注定了我们终其一生无法相见的命运。

BY:Paul Sutter

FY:赵若彤

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关键词：球状星团宇宙射线