反物质世界存在吗

既然发现了反粒子，尔后又发现反物质，当然由反物质构成的反世界应该存在。但是问题在于，我们观测到宇宙中的反物质如此之少，与物质的比例高度不对称。这就是所谓的宇宙学中的反物质世界问题。为了了解这个问题，我们可以借助中微子探测器来探索宇宙中反物质的含量。后面我们还会知道中微子探测器目前已成为天文学和天体物理中强有力的探测工具之一。例如从超新星辐射的中微子流，我们可以探求许多超新星爆发的奥秘。现在我们从反物质问题开始吧。

科学家们是怎么知道宇宙中反物质是极其稀少的呢？实际上，人们最早就有反物质可能与物质的量在我们的宇宙中是相等的朴素想法。或许在茫茫太空的深处，隐藏着一个“反世界”吧！那里的原子是由反质子、反中子和反电子构成……

在以下的考察中，我们不要忘记，正物质与反物质如果撞在一起，就会“湮灭”得无影无踪，同时“爆发”巨大的能量，辐射无数高能γ光子。1千克物质与1千克反物质相撞，湮灭后“释放”的能量，可以转换为5亿度电。换言之，我国最大的水电站，长江三峡水电站满负荷工作1昼夜，发出的电力也只有这么多！

真是“金风玉露一相逢，便胜却人间无数”！不过，这不是无量数的柔情蜜意，而是石破天惊的怒吼，摧枯拉朽的爆发！因此，人们往往把剧烈的爆发和难以解释的奇异现象皈依于反物质。

1908年6月30日，在西伯利亚通古斯河中游莽原茂林的上空，突然掠过一个神秘的天体。随之一次可怕的猛烈爆炸发生了，声浪所及，在英伦三岛也记录到了。火光冲天，云霞斑斓，甚至在欧洲、非洲北部都接连三天看到白夜……

引起爆炸的天外来客到底是什么？尽管组织过几次科学考察队进行实地考察，然而直到现在，这次爆炸仍然是一个谜，各种说法纷纷攘攘，莫衷一是。

难道是地外文明使者的飞船失事？或者是微黑洞的袭击？……至少已有20多种解释。其中有一种猜测，曾使许多人拍手叫绝：这是来自反世界的“不速之客”——飞船与地球相撞，然后引起一次猛烈的湮灭过程……

超新星爆发是星空中最壮观的景象之一。一个本来暗淡的小星，突然光度增加到太阳的千万倍，乃至1亿倍，在漆黑的夜空中，像一座灯塔，光芒四射，宛如宇宙中蔚为奇观的焰火。

我国的“宋史”记载，至和元年五月己丑日（1054年7月4日）凌晨，东方天际出现一颗极其明亮的星星，颜色赤白，光辉灿烂，犹如太白金星。司天监的官员对它仔细观察，发现这颗“客星”，整整643天才消失。我国史书记载此类客星有10颗之多，是世界上保存最早、最准确和最完整的超新星的记载。

超新星的猛烈爆发，一瞬间可释放1044焦耳的能量，相当于太阳在90亿年向太空释放的总能量。超新星中心温度达几十亿摄氏度，爆发时喷射的物质的速度高达每秒1万千米。

射电源星云的爆发则更具戏剧性了。巨大的喷流横贯天际，往往达几百万光年之遥。离我们约1000万光年的大熊星座M-82射电源的两股喷流总质量有太阳质量的五百万倍。射电源NGC4151是旋涡结构的赛弗特星系，从其核心喷射的三个硕大气壳，相当于每年抛射100个太阳质量的物质。

此类猛烈的爆发，其巨大能源从何而来？有人猜测，或许就是巨大的星云与反物质构成的反星云冲撞的结果。

1963年，美国天文学家施米德和马修斯等发现类星体3C48以来，天文学家已发现几千个这种奇怪天体——类星体。

类星体最突出的特点是，它们有巨大的红移。由此看来，它们离我们极远，而且退行速度极大。从射电望远镜来看，类星体极像恒星。

例如，红移为3.53的类星体OQ172，退行速度达到每秒27万千米（即光速的0.9倍），离我们的距离约100亿光年。类星体体积很小，一般来说，其直径不过1光年（银河系的直径有10万光年）。但它们爆发时，最大的辐射功率竟超过1000个正常星系。

类星体的巨大能量从何而来？就是类星体中每天爆发一个超新星，也只能解释其中的一部分能量。有人说，会不会是在类星体中间同时会有物质和反物质，两者相遇，“同归于尽”而发生猛烈的爆发呢？

天文学家曾经发现一颗奇异的双尾彗星——阿伦达·罗兰，它有一根尾巴短而细，竟然是朝着太阳的。按照通常的说法，彗尾在所谓太阳风的作用下，应该背向太阳。后来发现，具有这样反常尾巴的彗星，远非阿伦达·罗兰一颗。

有人又遐想不已：这条反常尾巴是由反物质构成的，因此有这种反常现象的出现……

遗憾的是，这些大胆的设想，尽管十分诱人，却都站不住脚。在我们所观测的宇宙中，所谓反物质，真是“凤毛麟角”，少到极点。即使曾经有过大量密集的反物质存在，大概在某个时刻，它们靠拢“正常”物质时，老早就“湮灭”——“熔化”得无影无踪了。

关于超新星的爆发，彗星的反常尾巴，已有为大家所接受的理论解释。有兴趣的读者可以参见有关天体物理读物。其他现象的谜底虽未解开，但可断言与反物质关系不大。

实际上我们仔细分析现有实验资料，就可发现反物质在我们观测所及，确实寥若晨星。

太阳系似乎不是反物质的藏身之地，其中不可能含有大量的反物质聚集。我们从太阳开始巡查，在太阳大气的最上层——日冕不断喷射由正离子和电子构成的热等离子体气体，温度很高，达100多万摄氏度，速度很大，每秒300～800千米。这就是所谓太阳风。

由于太阳的自转和太阳磁场的影响，太阳风实际上是高速等离子旋风。它随着太阳活动激烈程度的变化，时大时小，不断“吹向”星际空间，影响涉及太阳系所有的地方，概莫能外。

如果太阳系内某处有大量反物质存在，太阳风与反物质相遇，就会产生强烈的γ辐射，其强度要高于我们目前的观测值的五到六个数量级。换言之，我们对空间γ辐射的观测，否定了太阳系内有反物质集聚的任何想法。

太阳发射高速风

宇宙射线

在星系团的星系际热气体会发出X射线，我们并未在其中观察到正、反物质湮灭时所辐射的γ射线。由此推知，反物质在星系团气体中的含量，至多不超过万分之一。

宇宙射线是奥地利物理学家亥斯在1911年用气球把静电探测器带到高空所发现的来自宇宙深处的神秘射线。宇宙射线中绝大部分是质子和α粒子，但也几乎包括元素周期表上所有的核这些神秘天外来客的来历尽管还未完全弄清楚。但大体上可认为，它们大部分来源于银河系，少部分来自超新星、脉冲星等，河外星系和类星体也是可能的来源地之一。

最近几年，科学家们安装成功了新型HESS望远镜阵列。该阵列的核心为美国芝加哥大学的科学家开发的一种先进传感器仪器，可探测宇宙射线粒子及其蓝色闪光，可望很快揭开猛烈撞击地球大气的宇宙射线起源之谜。其建造成本比气球和卫星还要少。

但从宇宙射线的成分来看，反粒子几乎没有，表明它们来自的地方：银河系、超新星等，其中反物质的含量也在其物质总量的1%以下。

射电天文学发现所谓法拉第现象（效应），就是由河外星系的射电源所辐射的电磁波。由于星际磁场的影响，其偏振面有旋光现象，即旋光效应。如果在河外星系大量聚集反物质，这种效应原本会抵消的。法拉第效应的发现，说明河外星系确无反物质聚集。这也暗示我们，在观测宇宙中，“反世界”是没有希望找到了。

HESS望远镜阵列

有人设想可能是反世界与世界是隔离开来的，而我们人类则正好处于世界这一块。阿尔文和克莱因很早就提出这样的模型，其中物质世界与反物质世界靠磁场与引力场分开。这个模型不能解释微波背景辐射，没有受到人们重视。

奥姆勒斯1969年提出了一个在大爆炸学说基础上的正、反物质对称的宇宙模型。他认为，在宇宙温度大约4×1010K（约0.3兆电子伏）时，宇宙介质的高温等离子汤会发生相变，重子与反重子互相排斥，从而在不同区域分别出现重子过剩与反重子过剩的两种状态（或“相”）。

随着宇宙的膨胀，这两个区域（世界）不断增大。奥姆斯认为，由于两区域接触的地方湮灭所释放的能量，会驱使两区域逐渐远离。他称这种分离现象是由于一种类似水力学的分离机制产生的。现在两世界间横亘着线度为1022厘米的隔离区。

奥姆勒斯的想法是相当吸引人的。不幸的是，实验和理论上的检验，都说明这个理论站不住脚。如果奥姆勒斯的理论正确，在他的理论中出现的聚接过程所释放的湮灭能量应大于背景辐射的20倍。即使释放的能量减少到1/200倍我们看到的背景辐射也不是今天观测到的这个样子了。

按奥姆勒斯的说法，在正、反粒子混合的地方，应有湮灭过程进行。其中会有这样的反应：

P（质子）（反质子）→π0（中性π介子）＋其他粒子

π0→2γ（光子）

其中产生的γ光子能量在50～200兆电子伏范围。然而我们没有找到这样的γ光子。

前苏联科学家泽尔多维奇和诺维可夫在1975年从理论上批评奥姆勒斯的模型。他们援引波格丹诺娃和夏皮罗在1974年的计算，指出在核子与反核子之间，引力始终占优势。即使在高于300兆电子伏的温度时有排斥产生，也是在等离子体中的自由夸克之间出现的。自由夸克之间的相互作用遵从量子色动力学，不会导致使“物质”与“反物质”分离的相变发生。

奥姆勒斯的理论从根本上被驳倒了。