為什么反物質(zhì)沒(méi)有在時(shí)間之初毀滅宇宙的形成？這是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的謎題之一。為了尋找物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不對(duì)稱(chēng)性，科學(xué)家不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和靈敏度。有的人專(zhuān)注于尋找反物質(zhì)與物質(zhì)之間極其微末的差異，有的人則專(zhuān)注于回答：電子，到底有多圓？無(wú)論是哪個(gè)實(shí)驗(yàn)，只要其結(jié)果與現(xiàn)在的認(rèn)知有任何細(xì)微的偏差，都能夠幫助我們回答為什么我們所身處的宇宙充滿了物質(zhì)，而不是反物質(zhì)。但到目前為止，所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都呈現(xiàn)出完美的對(duì)稱(chēng)性。
○ 由物質(zhì)組成的星系團(tuán)MACSJ0717.5+3745。| 圖片來(lái)源：NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)
有人說(shuō)，事實(shí)有時(shí)比小說(shuō)更奇妙。反物質(zhì)，就很好的體現(xiàn)了這一點(diǎn)。1928年，自狄拉克在他寫(xiě)下的方程中預(yù)言了反物質(zhì)的存在起，物理學(xué)家和科幻作家就對(duì)它充滿了無(wú)限的好奇。
如果有一天，你遇到了一個(gè)由反物質(zhì)構(gòu)成的“你”，千萬(wàn)不要觸碰他/她，因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)，就會(huì)發(fā)生湮滅，化作一團(tuán)能量。而物理學(xué)家預(yù)期，這樣的一次大湮滅事件應(yīng)該發(fā)生在約138億年前。
○ 當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生湮滅，所有的能量都會(huì)以光子的形式釋放。| 圖片來(lái)源：RealLifeLore/YouTube
根據(jù)物理學(xué)最成功的理論之一——粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（該理論描述了宇宙中所有已知的粒子）的預(yù)測(cè)，在宇宙大爆炸之后，應(yīng)該有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)被創(chuàng)造出來(lái)，這就意味著正反物質(zhì)的相遇會(huì)導(dǎo)致湮滅的發(fā)生，從而毀滅了宇宙的形成。但結(jié)局很明顯，物質(zhì)贏得了138億年前的那場(chǎng)宇宙級(jí)湮滅之戰(zhàn)，因?yàn)槲疫€在這里寫(xiě)這篇文章，而你此刻正閱讀這篇文章。你、我、行星、恒星、星系……皆在。這是為什么？這個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的懸念之一。
為了解釋這個(gè)問(wèn)題，物理學(xué)家假設(shè)，除了正反物質(zhì)的電荷相反之外，它們之間必須存在著其它極小的差異。但無(wú)論這個(gè)差異是什么，都不會(huì)是它們的磁性。
歐洲核子研究中心（CERN）的反重子對(duì)稱(chēng)性實(shí)驗(yàn)（BASE）的物理學(xué)家，對(duì)反質(zhì)子的磁矩進(jìn)行了迄今為止最精確地測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它跟質(zhì)子的磁距完全一樣（除了擁有相反的符號(hào)）。這一讓人“喜憂參半”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果于10月18日發(fā)表在《自然》雜志上。令人欣喜的是，此次對(duì)反質(zhì)子磁距地測(cè)量的精確度相比之前的測(cè)量要提高了350倍，要知道反質(zhì)子的磁距是非常小的（比正電子的磁距小660倍），因此要精確地測(cè)量它是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)；而令人憂愁的一面，物質(zhì)和反物質(zhì)的完美對(duì)稱(chēng)，依舊暗示著這個(gè)宇宙本不應(yīng)該存在，這迫使我們不得不重新思考這個(gè)問(wèn)題。
○ 在CERN的高架倉(cāng)庫(kù)里，六個(gè)彼此競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)驗(yàn)組都想成為第一個(gè)揭開(kāi)反物質(zhì)之謎的團(tuán)隊(duì)。| 圖片來(lái)源：Nature
對(duì)稱(chēng)性的又一次勝利
先前，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)的質(zhì)量和電荷等性質(zhì)進(jìn)行了一系列極其精確的測(cè)量，但均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何細(xì)微的差異。去年的時(shí)候，同樣是在CERN進(jìn)行的ALPHA實(shí)驗(yàn)對(duì)反氫原子的光譜進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)反氫原子的躍遷頻率與普通原子的躍遷頻率一致，這是研究人員耗費(fèi)了20年的努力成果。而在不久前，ALPHA實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步，發(fā)現(xiàn)反氫原子也產(chǎn)生著名的21厘米氫發(fā)射譜線，再次證明氫原子和反氫原子之間有著完美的對(duì)稱(chēng)性。
但一直以來(lái)，質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩一直是科學(xué)家無(wú)法有效進(jìn)行比對(duì)的方面，因?yàn)檫@很難做到。要對(duì)反物質(zhì)進(jìn)行觀察和測(cè)量是非常棘手的，因?yàn)橐坏┻@些反粒子與正粒子接觸，它們就會(huì)消失。所以我們不能簡(jiǎn)單地將一束反質(zhì)子送入實(shí)驗(yàn)裝備中，還期望它們能表現(xiàn)良好，它們與任何普通物質(zhì)接觸時(shí)（如實(shí)驗(yàn)裝置中的容器），都能導(dǎo)致它們被瞬間摧毀。因此，為了防止反物質(zhì)與物質(zhì)接觸，物理學(xué)家必須創(chuàng)造出可以隔離反質(zhì)子接觸物質(zhì)的“陷阱”，才有進(jìn)行研究的可能。
因此，在建造這一實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，其中一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)和研究就是如何開(kāi)發(fā)出更復(fù)雜更完善的磁阱：在含有反物質(zhì)粒子的磁阱中，磁場(chǎng)的細(xì)微不完美都能導(dǎo)致粒子泄漏；而在更完美的磁場(chǎng)里，粒子泄漏的可能性更小，反物質(zhì)與物質(zhì)被保持隔離的時(shí)間也越長(zhǎng)。
○ BASE實(shí)驗(yàn)。| 圖片來(lái)源：STEFAN SELLNER, FUNDAMENTAL SYMMETRIES LABORATORY, RIKEN, JAPAN
早在十年前開(kāi)始，BASE實(shí)驗(yàn)就開(kāi)始試圖實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。BASE是一個(gè)非常復(fù)雜精密的儀器，它能精確地測(cè)量質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩，并能偵測(cè)到兩者之間哪怕極其細(xì)微的差別。而在此次的突破中，研究人員使用兩個(gè)低溫的彭寧阱（Penning traps），破紀(jì)錄的將反質(zhì)子困在里面長(zhǎng)達(dá)405天。在這段時(shí)間內(nèi)，研究人員可以將另一個(gè)磁場(chǎng)應(yīng)用在反物質(zhì)身上，迫使在粒子自旋中產(chǎn)生量子躍遷，從而可以對(duì)它們的磁距進(jìn)行精確地測(cè)量。
他們努力的研究結(jié)果表明，質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩完全相同：反質(zhì)子的磁矩精確到小數(shù)點(diǎn)的后9位：-2.7928473441μN，質(zhì)子的磁矩為2.7928473509μN，最后幾位數(shù)的小小差別也是在允許的誤差范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，假如質(zhì)子和反質(zhì)子的磁距真的存在差異，那么也將在小數(shù)點(diǎn)后的9位之外，而以我們現(xiàn)有的技術(shù)還不足以探測(cè)到這種差別。BASE實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了所謂的CPT對(duì)稱(chēng)性，這是一個(gè)非常重要的對(duì)稱(chēng)性，它依賴(lài)于粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的基本假設(shè)。
○ CPT對(duì)稱(chēng)性指物理定律在電荷共軛（把粒子換成反粒子）、宇稱(chēng)（鏡像中的世界）、時(shí)間反演的聯(lián)合變換下保持不變。| 圖片來(lái)源：Chad Ozel
BASE的物理學(xué)家 Christian Smorra 表示：“所有的觀測(cè)結(jié)果都顯示了物質(zhì)和反物質(zhì)間的完全對(duì)稱(chēng)性，這也是為何我們認(rèn)為宇宙根本就不該存在的原因。很顯然，不對(duì)稱(chēng)必須存在，但我們卻始終弄不明白這差異出在哪里?！?/span>
答案，或許隱藏在電子的形狀之中
除了等待CERN的幾個(gè)反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果，有一些科學(xué)家則另辟蹊徑。他們把目光鎖定在我們所熟悉的電子的形狀之上。自湯姆遜（J.J. Thomson）發(fā)現(xiàn)電子以來(lái)，科學(xué)家就一直在追問(wèn)：電子到底有多圓？
○ 如果我們能夠發(fā)現(xiàn)電子的形狀哪怕只有一點(diǎn)的不對(duì)稱(chēng)，或許就能夠回答：為什么現(xiàn)在宇宙中充滿了物質(zhì)，而不是反物質(zhì)。| 圖片來(lái)源：Science
在過(guò)去30年中，一系列越來(lái)越靈敏的實(shí)驗(yàn)顯示，如果電子的形狀存在著稍微的扭曲，那么扭曲的大小也將必須小于10-27毫米！現(xiàn)在，科羅拉多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（JILA）的研究人員描述了一個(gè)截然不同的方法，或許能夠在未來(lái)揭示電子的扭曲，并進(jìn)一步減少不確定性。
○ 如果電子有任何扭曲，其大小也必須小于10-27毫米。| 圖片來(lái)源：Science
如果電子的“蛋形”真實(shí)存在，將由所謂的電偶極矩（EDM）來(lái)量化?？茖W(xué)家通常認(rèn)為電子是一個(gè)非常小、且均勻的負(fù)電荷球體，一個(gè)不為零的EDM意味著電荷分布不均勻，形成一個(gè)區(qū)域比粒子的平均電荷更帶正電（+ +），而另一個(gè)區(qū)域更帶負(fù)電（- -）。
○ 一個(gè)不為零的EDM意味著電荷分布不均勻。| 圖片來(lái)源：Science
這看似微不足道的不對(duì)稱(chēng)性，卻有著無(wú)比深遠(yuǎn)的含義，因?yàn)樗`背了時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性（即無(wú)論時(shí)間是向前還是向后，物理過(guò)程都應(yīng)該是一樣的）。這不僅意味著描述已知粒子和力的標(biāo)準(zhǔn)模型有漏洞，需要一個(gè)包含比迄今為止所看到的更多的基本粒子的模型（比如超對(duì)稱(chēng)理論預(yù)測(cè)了還有許多等待被發(fā)現(xiàn)的粒子擁有更大的偶極矩）；同時(shí)，這也意味著物質(zhì)和反物質(zhì)之間存在著基本不對(duì)稱(chēng)，從而解釋宇宙中為何包含了更多的物質(zhì)。
有許多物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙中的超額物質(zhì)暗示著電子的EDM“極有可能”存在。盡管我們依然不知道EDM的大小，但最廣為接受的理論預(yù)言了它的大小應(yīng)該是能夠被探測(cè)到的。
由于EDM能夠?qū)е乱粋€(gè)電子的自旋軸在電場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，因此理論上只要將電子置放在正極和負(fù)電極之間就可以探測(cè)到。但是由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力非常微弱，弱到電子在撞擊到正極之前幾乎不會(huì)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。
科學(xué)家通常通過(guò)研究某些中性原子和分子內(nèi)的電子來(lái)繞開(kāi)這個(gè)問(wèn)題。他們對(duì)原子或分子束進(jìn)行探測(cè)，以尋找某些電子搖擺的跡象，即EDM的證據(jù)。但是，原子或分子束的運(yùn)動(dòng)會(huì)限制測(cè)量時(shí)間，因此JILA的研究人員Eric Cornell和他的同事選擇了一個(gè)大膽的嘗試。他們將一種被稱(chēng)為四氟化鉿的無(wú)機(jī)化合物中的分子離子限制在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)中，使得離子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)勾勒出一個(gè)小圓，而不是像在原子或分子束中那樣飛走。在克服了與這個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)的一些技術(shù)障礙之后，他們追蹤了電子的自旋進(jìn)動(dòng)“長(zhǎng)達(dá)”0.7秒?；蛟S你會(huì)認(rèn)為這只有短短不到一秒的時(shí)間，但比利用原子或分子束的方法已經(jīng)高出了1000倍。
Cornell的小組還沒(méi)有對(duì)電子的球形度進(jìn)行最好的測(cè)量，因?yàn)殡x子之間會(huì)相互干擾對(duì)方的自旋，從而限制了離子可以同時(shí)被測(cè)量的數(shù)量。然而，不久前，為了同時(shí)捕捉更多的離子，JILA的團(tuán)隊(duì)在更高的電場(chǎng)下開(kāi)始了全新的實(shí)驗(yàn)。結(jié)合了其它細(xì)微的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，Cornell表示在接下來(lái)的幾年內(nèi)，實(shí)驗(yàn)的靈敏度將提高10倍。Cornell也補(bǔ)充道，他們未來(lái)將使用氟化釷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氟化釷更難測(cè)量，但其穩(wěn)定性更強(qiáng)，使我們能觀測(cè)到電子進(jìn)動(dòng)的時(shí)間更長(zhǎng)。
同時(shí)，其它的小組也在利用不同的方法來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度。在接下來(lái)的幾年內(nèi)，隨著靈敏度不斷地提高，我們希望能夠最終探測(cè)到電子的EDM。如果我們依舊沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何不對(duì)稱(chēng)性，那么就會(huì)有一系列關(guān)于電子EDM的理論被排除。當(dāng)然，理論家還會(huì)繼續(xù)提出更多新的理論。
到目前為止，謎題依舊存在。我們?nèi)耘f需要繼續(xù)追問(wèn)：為什么這個(gè)宇宙會(huì)存在？答案肯定隱藏在某個(gè)線索里，只是我們還沒(méi)找到。
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