我們從何而來呢？科學家正在研究宇宙誕生的奧秘

我們從何而來？物理學家正試圖通過轟擊反氫原子來揭示其中的奧秘。

在無數的科幻小說中，反物質被當成一種虛構的能量來源。但它並不僅僅是一種了不起的能量來源，它的存在可以幫助我們揭開自身存在的奧秘。

這可以解釋為什麼物理學家們會極其關注最近《自然》雜誌（Nature）刊載的一篇論文。因為那篇文章概述了歐洲核子研究中心（CERN）利用反氫原子所做實驗的結果，而那個結果對物理學家來說又非常重要。

上文所述的實驗名為「阿爾法（ALPHA）」，它涉及到用激光轟擊反氫的一些原子，以及觀察它們會否做出類似於正常普通物質的反應。

目前看來，它們的確是做出了正常的反應。但這裡面卻存在一個問題：如果物質和反物質都是這樣的，我們就不應該存在。

正反物質的湮滅反應

物質是由帶正電荷的質子、不顯電性的中子以及帶負電荷的電子組成的。在任何不顯電性的原子中，質子和電子所帶的電荷達到了相互平衡。

反物質也是由質子和電子組成的，但它們各自所帶的電荷恰與我們所熟知的質子和電子相反。所以，反質子帶的是負電荷，反電子（也就是正電子）帶的是正電荷。

物質和反物質在接觸時會發生湮滅，並爆炸產生光子和高能粒子。然而，目前流行的宇宙起源模型，也就是宇宙大爆炸（Big Bang）理論卻認為，整個宇宙曾經被塞在一個奇點當中——在大爆炸發生時，物質和反物質是等量的。

若真是那樣的話，整個宇宙應該到處充斥著光子及時不時出現高能粒子，再無他物了。但事實情況並非如此。

物理學家估計，在大爆炸發生時，每產生10億個反物質粒子，就會產生10億零1個物質粒子。我們如今充滿物質的世界就是這樣來的。

怎樣得到反物質水？

與此同時，物理學家沒有特別的理由認為，物質和反物質應該具有不同的物理學特性（它們發生接觸時另當別論）。一塊反物質鐵塊看起來跟我們所知的鐵塊不會有什麼區別，反物質元素的物理學特性應該跟正常元素一樣。

把反氫原子和反氧原子結合在一起，你就能得到反物質水。到目前為止，預言了反物質這種特性的粒子物理標準模型和量子力學被證明是正確的。

雖然保羅·狄拉克（Paul Dirac）在1928年就構想出了反物質的概念和理論，但它們卻直到1932年才被物理學家發現。而反電子更是在1955年才被察覺。

這是因為，要創造反物質，你必須產生出巨大的能量，並將之變成「物質」。而在地球上的實驗室里，實現這一點的唯一方法是通過粒子加速器。

因此，創造出一個反氫原子確實是了不起的偉業。這就可以解釋，為什麼我們唯一涉及反物質常規應用的技術只有正子斷層掃描（PET scan），而並非《星際迷航》（Star Trek）里描述的那種「物質-反物質」動力。

如果沒有極其複雜精密的設備儀器支持，物理學家幾乎沒有可能對關於反物質物理學特性的理論進行驗證。

阿爾法實驗的用武之地

參與該實驗的物理學家希望研究反氫的原子，觀察它們從一個能量狀態轉變到另一個能量狀態的變化。

這樣的狀態轉變在自然界比比皆是。諸如我們看到的霓虹燈光線以及發光的閃電。

在這兩種情況下，要麼是電離化的原子捕獲了一個電子，要麼是原子核周圍的電子躍遷到了較高的能量狀態。之後，電子會落向較低的能量狀態，並釋放出我們所看到的光子。

由於創造反物質異常困難，阿爾法實驗只涉及到很少的反氫原子（共14個）。為了觀測到它們的狀態轉變，研究人員發射激光轟擊那些反氫原子，讓其中一些電離化。

反氫原子對激光做出反應的方式似乎跟正常氫原子是一樣的，它們都經歷了相同的能量狀態轉變——至少這一實驗的精度達到了100億次實驗大約2次偏差的程度。

因此，情況看起來似乎是，反氫原子的物理學特性跟氫原子是一樣的。

然而，阿爾法實驗小組的發言人、物理學家傑弗里·亨斯特（Jeffrey Hangst）卻警告說，這一切只是告訴我們，這樣的狀態轉變是可以被測量的。

他指出，當正常氫原子經歷能量狀態轉變時，物理學家已經能夠以極大的精度對其發出光的波長進行測量，而10^15（1000萬億）次測量只會出現1次差錯。

如果我們想知道反氫原子的物理學特性是否真的跟氫原子一樣，那麼阿爾法實驗的精度還需要再提升五個數量級。

在2017年更進一步的實驗中，物理學家將做出更加精確的測量。他們還將開展另一組實驗，測試反氫原子對重力的反應——即拋下反氫原子，觀察它們如何下落。

如果你同時逆轉電荷屬性，把某件東西轉變成它的鏡像，並扭轉時間，那麼物理學定律看起來應該是一樣的。

假設那些實驗同樣顯示反氫原子的表現跟氫原子沒有區別，那將意味著標準模型、量子力學乃至相對論取得了更進一步的勝利。同時也將表明，物理學中一種名為CPT（電荷-宇稱-時間）的對稱是成立的。

CPT對稱就是說，如果你同時逆轉電荷屬性，把某件東西（比如一個粒子）轉變成它的鏡像，並扭轉時間，那麼物理學定律看起來應該是一樣的。

這種對稱是很多物理學定律的基礎——如果它出錯了，即便只錯了一點點，那也將意味著我們所信賴的很多物理學定律是不完整的。

這就可以解釋，為什麼物理學家會對阿爾法實驗及其未來版本異常興奮。

「CPT對稱是所有量子場論絕對的基石，而不只是標準模型的，」來自布法羅大學（University at Buffalo）的助理教授薩爾瓦托雷·拉波西奧（Salvatore Rappocio）說道，「不過，這種對稱是極不可能被推翻的。而通過實驗觀測非常令人興奮，因為我們提出的這個看似矛盾的假設是科學家賴以開展研究的基礎。如果我們真的觀測到了，那將成為整個量子物理中一場根本性革命的確鑿證據。」

如果CPT對稱在這些實驗中得以保存，那意味著，無論它在哪裡遭到破壞，原因都不在反物質身上——物理學家將從別處尋找我們為何存在的答案。

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