鑽石舞台

在科學史上，將兩個理論成功地結合，往往會收穫意想不到的回報。

回到上個世紀初，狹義相對論和量子力學的出現，使物理學發生了天翻地覆的改變。狹義相對論顛覆了我們的時空觀，而量子力學揭示了微觀世界的詭異行為。

1928年，物理學家保羅·狄拉克寫下了一個結合了狹義相對論和量子力學的方程，用來描述高速運動的電子的行為。這本就是一項極其了不起的成就，但更令人驚奇的是，這個方程還預言了一個更為奇異的世界。

狄拉克發現，這個方程實際上預言了一類全新粒子的存在——對於每一個粒子，都存在一個對應的反粒子。例如，對於電子而言，應該存在一個「反電子」，它們具有相同的質量，卻有着相反的電荷。

1932年，物理學家卡爾·安德森在觀察穿過雲室的宇宙線時，看見了一個與電子質量相同、帶有正電的物體留下的軌跡。他認為，這些軌跡實際上是就是「正電子」（也就是電子的反粒子）所留下的。

左：狄拉克方程預言了反物質的存在；右：安德森在雲室中拍攝到了正電子的軌跡，並於1932年9月9日，在《科學》雜誌上發表了他的發現。

儘管距離第一個反粒子的發現已經過去了90年，但反物質仍然充滿了許多未解的難題。在探索的過程中，我們也發現了許多與反物質相關的有趣而又令人困惑的事實。

每一個原子都包含了反物質

無論是我們的身體，還是周圍的世界，都是由原子構成的。

我們都知道原子是由質子、中子和電子組成的。質子和中子統稱為核子，它們是原子核的組成部分，占宇宙可見物質的99%以上。但與電子不同的是，核子並非基本粒子，它們是由夸克組成的。

夸克有六種類型，或者說六種「味」，其中最輕的上夸克和下夸克最有可能在核子中找到。在最簡單的圖景中，質子包含了三個「價夸克」——兩個上夸克和一個下夸克，它們的電荷（分別是+2/3和-1/3）結合起來使質子的電荷為+1。

但隨着物理學家對質子的了解逐漸深入，他們發現事情遠沒有那麼簡單。在質子的內部，實際上還包含了將夸克束縛在一起的膠子，以及不斷出現和消失的夸克和反夸克對。

根據描述夸克和膠子相互作用的量子色動力學（QCD），六種味的夸克都應該存在於質子內部。物理學家基本同意質子內部還存在着內在奇夸克（也就是第三輕的夸克），而QCD也告訴我們，每當一個奇夸克被創造，一個反奇夸克也必須出現。在最近的一項研究中，物理學家甚至還找到證據表明，質子內部還存在着比質子本身都重的內稟粲夸克。

除了原子，還有反原子和奇異原子！

歐洲核子研究中心（CERN）是目前世界上最強大的粒子加速器，它可以創造出完全由反物質構成的反原子。最簡單的反原子是反氫原子，由一個正電子和一個反質子組成。

無論是反氫原子還是反質子，都可以被用於檢驗愛因斯坦的廣義相對論的一個重要原理——弱等效原理。該原理告訴我們，所有處於相同引力場中的物體，無論其性質如何，都會經歷相同的加速度。到目前為止，實驗均表明弱等效原理不僅適用於物質，也適用於反物質。

除了反原子外，CERN還創造出了由物質和反物質構成的奇異原子。CERN有一台特殊的儀器，叫反質子減速器，它能夠減緩那些以接近光速的速度進入該設備的反質子的運動。當反質子變慢後，科學家會將它們與冷卻到接近絕對零度的液氦混合。其中一小部分的反質子會在液氦中被捕獲，使原本繞氦原子核運行的兩個電子中的一個被反質子取代，形成了能在短時間內保持穩定的反質子氦。

除了包含反質子的混合氦原子之外，其他奇異原子還包括μ子素（Muonium）和正電子素（positronium）。奇異原子被用來研究極小尺度上的物質和反物質之間的相互作用，這些相互作用是尋找新物理的重要工具。例如，通過奇異原子，科學家正在尋找神秘的暗物質和第五種力。

為什麼我們會存在？

物質、能量、時間和空間……已知所有的一切都始於138億年前的大爆炸。

根據已知的物理學定律，在大爆炸之後，宇宙中應當產生了等量的物質和反物質。而我們知道，當物質和反物質相遇時，它們會湮滅，以光子的形式釋放出能量。這就意味着，理論上，在宇宙最初的時刻，物質和反物質就應該全部湮滅，使宇宙中只剩下能量。如果是這樣，那麼今天的宇宙就不會有星系、恆星、行星，甚至是你、我的存在了。

幸運的是，這一切並沒有發生，否則我們也不會在這裡對我們的存在感到疑惑。那麼，究竟是什麼導致了物質和反物質之間的輕微不對稱性，使今天的宇宙全是由物質而不是反物質組成的？這是當今物理學最大的謎團之一。

1967年，物理學家Andrei Sakharov提出，如果宇宙滿足三個條件那麼就有可能演化出一個由物質主導的世界，其中一個條件便是CP對稱性必須被打破（或者說CP破壞）。簡單來說，CP對稱性指的是，在一個鏡像世界中，反粒子的行為應當和粒子完全相同。

在過去的幾十年中，物理學家已經發現夸克和反夸克打破了CP對稱性，但從夸克中所觀察到的CP破壞的量完全不足以解釋最初的物質和反物質之間的不對稱性。2020年，物理學家也首次報告了他們在輕子中發現了CP破壞的證據。如果結果進一步確認，這將是CP破壞的全新來源。

現在，世界各地的大型實驗仍在努力，希望找出物質和反物質之間的微小差異。隨着實驗測量的精度不斷提高，我們終將解開我們的存在之謎。