『科学家』科学家：触摸“反物质世界”的大门，只需要你手中的香蕉反粒子|丹·布朗|物理学家

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近日，来自欧洲核子中心（CERN）的阿尔法合作组（ALPHA collaboration）报道了氢原子的反物质对应物，即反氢原子能级结构中的特定量子效应——精细结构（fine structure）和兰姆位移（Lamb shift）。一直以来，科学家根据反物质对应的物质的性质，理论上假设反物质的量子效应与物质一致。而这次的测量结果显示，反物质原子的特定量子效应与“普通” 物质原子中的理论预言相一致，这为进一步精确测量反物质的特定量子效应和其他基本性质奠定了基础。此类研究有助于揭示物质和反物质之间的区别，这一结果发表在最新的《自然》期刊上。
阿尔法实验的核心装置示意图（Image: Nature article）

什么是反物质？——科学而非科幻
对许多人来说，反物质听起来科幻得都近乎玄幻，同时也是最危险的存在。在丹·布朗的悬疑惊悚小说《天使与魔鬼》中， “光照派”教徒从欧洲核子中心地下实验室偷取大量反物质制造出反物质湮灭弹埋藏在梵蒂冈，试图在教皇选举日一举毁灭天主教中心。这部小说后来被改编成由汤姆·汉克斯主演的同名电影。对于中国读者来说，丹·布朗的另一部小说《达芬奇密码》则更为出名。
什么是反物质？
物理学对反物质的定义是：反物质是物质的对应物，二者物理性质相似，但是所有的量子数都反号，如电荷量。
让我们从最简单的电子说起。电子带有一个负电荷，那么，与电子对应的反物质“反电子”（antielectron）或者说“正电子”（positron）则带有一个正电荷。正电子和电子的质量一样，但是电荷却相反。
早在1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）将量子理论和狭义相对论结合，写出电子在高速运动下的薛定谔方程，被称为狄拉克方程，这一方程为狄拉克赢得了1933年的诺贝尔物理学奖。如同方程x2=4有两个根（x=2或者x=-2）一样，狄拉克方程也有两个可能的解，一个解表示电子拥有正能量，叫做正能解，另外一个解表示电子拥有负能量，叫做负能解。
但是经典物理学和常识告诉我们，一个粒子的能量总是正值，不可能是负值。狄拉克创造性地将负能解理解为反粒子的能量，他认为对于每一种粒子（particle），都存在一个对应的反粒子（antiparticle），这两种粒子性质相同，只有电荷是不同的。比如与电子对应的反粒子是正电子，这种解释为人类打开一个全新的”物质世界”——反物质世界。
在1932年，卡尔·安德森（Carl Anderson）在研究宇宙射线的时候发现了正电子，从而证实了狄拉克这一大胆的预测。
这一发现启发人们：是不是每一种粒子都存在和它的性质相同却带有相反的电荷的反粒子？（事实上，不带电的粒子也有反粒子，它的反粒子也不带电，比如光子的反粒子是它本身。
科学家开始通过各种方法去寻找反物质。科学家试图在宇宙射线中寻找反质子，但并未发现。 1954年美国加州伯克利开始运行高能质子同步稳相加速器Bevatron 。次年， Bevatron合作组首次发现反质子，文章发表在该年11月1日的《物理快报评论》（Physical Review Letters PRL）上，这是首次观测到带有负电荷的反质子。 1956年， Bevatron合作组发现反中子。
反物质不仅存在，还能被”制造”出来
其实，目前物理学家们已经能够在实验中“制造”大量反物质用于研究了。
欧洲核子中心的反质子减速器AD(Antiproton Decelerator)就是一台将产生初期的高速反质子减速用于研究反质子或者反原子性质的仪器。