反物质：奇怪的世界

1996年，欧洲核子研究所（CERN）制造出9颗反氢原子，成为轰动全球的科技大新闻，这使人联想到,我们的宇宙是否存在反物质世界。

反物质世界听起来很奇怪，其实不然，在亚原子粒子中，每个粒子皆有其反粒子为伴,者的性质正好相反,如电子带一负电荷,反电子则带一正电荷（故又称正电子）,两者的旋转方向也相反，两者间的关系可谓古怪,它们一旦相碰即行消失（称湮灭）,而化成一阵γ射线暴。若宇宙中始终存在反粒子，那么它们势必会组成反原子，既而积聚成反星球、反星系，就如粒子所经历的那个过程。可是在我们居住的宇宙小小角落里，却从来没有人探测到反星球、反星系。直接观测反星体十分困难，因为原子和反原子所辐射出的皆为光子，这样，即使你看到一个反星球，可是其外貌跟一般星球并无二致。一个间接的办法是观测湮灭γ辐射。若我们进旁（如银河系内）有反物质存在，由于星球会发生爆炸，其包藏物质被拽入星际空间，成为周围星球相互交换的物质，这样，物质和反物质势必不时发生碰撞，而产生湮灭信号。事实上，天文界一直未观测到这种信号。若宇宙中不存在反物质世界，这在理论上又很难解释。据现代宇宙学，在大爆炸创生之初，产生了等量的物质和反物质；另一方面据量子论，真空空间中不时地暴出粒子对（如电子和反电子），在一个瞬间后又隐没于虚空。所有这些都向我们暗示，宇宙中应有反物质世界的位置，这个问题一直困惑着物理学家。

60年代，前苏联著名物理学家萨哈罗夫，对此作了解释：这缘于物理定律中有微小的不对称，或称CP不守恒（也即电荷、宇称不守恒，这两者皆为量子特性）。在大爆炸后的最初瞬间，今日所见的各种基本粒子，皆融为一体，称χ粒子，它极重，约为铝原子核的1万亿倍。随着宇宙的冷却，χ粒子开始衰变，由于上述不守恒，最终变成的粒子和反粒子，形成了10亿零1对10亿之比。故当它们相互湮灭化成γ射线后，留下的仅是1个的粒子，我们今日的宇宙也就是有它们所构成的，故我们见不到反物质世界。

萨氏的这一理论，也解释了充满宇宙的微波背景辐射，它也正好是10亿个光子对一个物质粒子。

萨氏的理论为许多科学家所接受，但也有一些科学家不以为然，丁肇中就是一个。他们认为萨氏的理论很难证实，丁说，我们不能排除这种可能性，“例如，在大爆炸火球的某个区域中，物理定律中的这一不对称可能逆转，从而有利于创生更多的反物质。”其结果是一个拼盘宇宙，在它的某些空域将填充着反物质星系。

丁承认没有人知道，这种（物理定律）不对称是怎样逆转的。同样地，“我们也并不清楚，从实验中所得知的不对称量，是否足以说明物质在宇宙中占绝对地位。”坚信有反物质世界的科学家认为，这个反物质世界当然不会就在近旁，它们至少不可能存在于本星系群之内，甚至在离我们3000万光年的距离内，不会有它们的踪迹；还有一些人认为，在距我们1亿光年的跨度内，不存在反物质。据丁的看法，反物质可能统治着本星系群外的某些空域，它们是如此遥远，以致其特征性湮灭信号十分微弱,难分真伪.丁说：“宇宙包藏着约10亿个星系团,要排放任何反星系是不可能的”。

目前在CERN工作的丁博士，是以寻找稀奇物质著称，1976年，他因发现J/Psi粒子而获诺贝尔物理奖。这一次他更是雄心勃勃,以寻找反物质世界为己任。他在几年前,跟一些物理学家筹组了反物质世界探测小组。他的同时艾伦十分佩服丁的勇气，“丁伟大之处，在于他从一般原则出发去考虑问题：是否有令人信服的论据来说明为什么没有反物质？没有.有足够灵敏的仪器去寻找过反物质？没有.那么你就去寻找吧!”

丁的准则是：“我们所从事的就是探索未知，作为一个实验工作者,去探测未知事物,责无旁贷。”这位华裔美国科学家，1936年出生于美国密歇根州，不久即返回中国故乡，一呆就是20年，然后去美国接受高等教育。他深知中国的一句格言：“工欲善其事，必先利其器。”他被同行誉之为搞“大科学”的行家里手，在他的牵头下聚集了来自欧、美、中国100科学家，研制了反物质频谱仪，以供丁的小组进行这场大战之用。

这一巨举却资金不足，需要2000万美元，美宇航局负责把AMS装入航天飞机上，作一次试探飞行以及以后把AMS送上空间站等飞行任务，约需1300万美元；美能源部提供300万美元，别的需要丁的国际合作者资助。

1994年4月，丁来中国，访问了中科院电气工程研究所。丁说：“我发现他们已用新型材料钕、硼、铁的合金，制造出非常精密的永久磁体....他们能够生产高质量、高磁场的磁体。我跟他们越交谈，就越使我相信，这是一条制造能在太空工作的廉价磁体的好路子。”AMS是一个重2吨、1米高、1米直径的圆柱形空心磁体，它由钕、硼、铁合金构成，产生一个0.15T的均匀磁常磁体内镶着叠成6层的一系列硅探测器，它们将把窜入仪器的带电粒子牢牢抓获，不让它们跑出10微米之外，并记录它们的电荷量、质量和速度。

丁是一位实验物理学家，他现在要做的实验，是对遥远星体的物质样本进行检验，以辨其雌雄，岂不是开玩笑吗？他到何处去搞这种样品？不，实际上，它们不停地向我们送货上门，这就是宇宙线，那是由原子核和带电粒子组成的射束，它们来自四面八方。它们大多来自太阳，其次来自我们银河系中的爆炸星球的残体，但其中最高能的粒子来自银河系外的不明天体。所以丁要做的是宇宙射线实验。探测宇宙线非丁的首创，半个多世纪之前，科学家就开始了对宇宙线的研究。不过地面探测只能抓捕到所谓二次粒子，那是宇宙线跟地球大气中的原子核发生碰撞后产生的粒子碎片，从它们身上只能揭示出原始宇宙线的能量,却已看不到它的本来面貌;以后利用气球进行高空探测，又嫌时间太短，仅几个小时。丁说，如此短期的实验，只有在1万个宇宙线粒子中有1个反原子核的情况下，才能捕捉到反物质的踪迹。事实上，来自本星系群之外的宇宙线，这个比例小到100亿对1。用这样的实验来排除反物质的存在，那是根本不可信的。而今丁要做的是太空实验，就此而言，可说是首创。丁认为，AMS成功的可能性很大，因为太空实验没有地面、高空（气球）探测所固有的缺点。AMS能把原始宇宙线和大气碰撞之前即行抓获，从而能见到其庐山真面貌。另一方面它又能常期滞留在空间，作大量的筛选，故科学界对丁小组的探测寄予厚望。

对丁小组来说，他们最大的希望是能发现反碳核，因为碳核或反碳核只有恒星或反恒星才能产生。故能找到反碳核，也就是反物质世界存在的确实信号。

丁若成功的话，也许将成为本世纪最大的科技新闻，著名科学界海森伯格评价说，“若发现反物质，也许将是本世纪中物理学的所有大突破中最大的一次。”同时也将带来一个大难题，诺贝尔奖得主温伯格说，“在最初的宇宙中，物质和反物质创生于同一地方，我们必须问我们自己，它们为何不互相湮灭？宇宙学将因反物质的发现而被倾翻，我们将被迫重新考虑一切事物。”

AMS除了探测反物质外，还有其他几项科研项目,其中颇受人关注的是搜索暗物质，它的搜索目标是超对称粒子。若能成功，其意义也不亚于反物质。丁小组目前正忙于做探测前的准备工作。按计划，他们将首先把AMS装上航天飞机“发现号”上，于1998年5月28日升空，它将飞行在300千米的上空，作为期100个小时的试探测，并在此基础上，于2001年2月，把AMS放上阿尔法国际空间站，作为期3年的反物质探测。

丁小组的探测，可谓一测多得！当然，也有可能失败，我们遥祝他们成功！