萬事萬物的終極解答，會是反物質嗎？

根據Douglas Adams在《銀河系漫遊指南》一書中的描述，生命、宇宙與萬事萬物的終極解答是42。他離正確答案只差兩倍：宇宙的答案是21。或者更準確地說，21厘米，也就是當氫原子從一個特定能態轉移到另一能態時發出的輻射波的波長。這就是為什麼NASA在1972年發射的先驅者10號航天器帶著的鍍金鋁板上，畫著身高以二進位的「8」表現的女人。（8個21厘米就是1.68米。）

NASA在1972年發射的先驅者10號航天器，航天器上有一塊金屬板，包含一條展示氫原子能量躍遷的信息（左上角）。

圖片來源：NASA

在二十世紀，許多知名物理學家都使用氫原子來預測和檢驗亞原子的相互作用。最近發表的一篇論文描述了該實驗方法的重大進展——實驗將研究方向帶入反物質的神秘領域。它表明，反氫（氫對應的反物質）也產生著名的21厘米氫發射譜線（M. Ahmadi et al. Nature 548, 66–69; 2017）。

這個最新實驗可以解答一些基本問題。物理學中的標準模型描述維繫宇宙的規則，檢測該標準模型的漏洞的一種方法是尋找和發現物質及其對應的反物質的行為差異。幾十年來對氫原子的仔細分析提供了一個基準，用來對比相應反氫物質的測量數據。測量結果中的任何偏差都可能打開一扇通往新物理學的大門：宇宙的答案——某地的某人或許已經知曉。

——《自然》社論Why antimatter might be the answer to life, the Universe and everything

在CERN的高架倉庫里，六個彼此競爭的實驗組都想成為第一個摸清宇宙中最神秘材料的性質的團隊。這些實驗彼此僅相距幾米，有的甚至在「疊羅漢」：一個金屬橫樑交叉著另一個，就像購物中心的自動扶梯，多層混凝土支架搖搖欲墜地掛在頭頂。

CERN的一個實驗室擁有唯一可用的反質子源，反質子是質子對應的反物質。

Maximilien Brice/CERN

「我們無時不刻地意識到競爭對手的存在，」 領導AEGIS項目的物理學家Michael Doser說。該項目力爭成為第一個發現反物質（物質的稀有鏡像）如何對重力做出反應的團隊。

Doser和他的競爭對手們別無選擇，只得隨遇而安。CERN是瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室，擁有世界上唯一的反質子源——反質子除了擁有相反的電荷和自旋外，在其他任何方面似乎都與質子無異。

實驗室的反質子減速器是一個周長182米的環，它從實驗室中類似大型強子對撞機（LHC）的其他加速器中得到反質子。這些反質子以接近光速的速度進入該設備。顧名思義，減速器減緩粒子的運動並提供反質子流，各個實驗必須輪流獲取這些反質子。所有這一切都必須小心操作： 一旦遇到物質，反物質便會湮滅，釋放高能輻射。

幾十年來，科學家一直在努力穩定反質子和由反質子構建的反氫原子足夠長時間以作研究。過去幾年出現了飛躍性的進展：實驗人員現在可以控制足夠多的反粒子來開始認真探測反物質，並對其基本性質和內部結構進行越來越精確的測量。名為ALPHA的實驗的領導人Jeffrey Hangst表示，至少理論上，他的團隊現在可以像做氫原子實驗一樣對反氫原子做同樣的實驗。「對我來說，目前的成果便是我25年來所一直追求的，」他說。

這些實驗任重道遠：物質和反物質的性質之間哪怕極小的差異也可以解釋任何事物存在的原因。就物理學家所知，在宇宙形成初期，應該有等量的物質和反物質被創造出來，照理來說兩者相互衝擊湮滅抵消。但這並沒有發生，目前不平衡狀態的起源仍然是物理學中最大的謎題之一。

CERN的努力不太可能在短時間內攻克這個難題。迄今反物質已被證明與物質驚人得相似，許多物理學家認為這個結論不會被改變，因為任何差異都會撼動現代物理學的根基。但是，這六項實驗（它們是CERN在30多年前啟動的一系列研究中最新的一組）引起了人們的關注，因為LHC在繼續尋找可以解釋反物質悖論的粒子上一無所獲。

此外，團隊在操控反物質方面的飛躍進展已經為他們贏得了對該機構的反質子工廠的重大升級 ——一個最前沿的減速器，它將在今年年底前開始運行，並最終能使實驗處理比現在多100倍的粒子（見 減速器 ）。

Source: CERN

數十名從事CERN實驗的物理學家知道他們面臨著艱巨的挑戰。反物質相關的實驗非常難做，團隊之間的競爭很激烈，發現新結果的可能性卻又似乎很小。但是，CERN的反物質研究者為最終打開宇宙研究的新窗口這一激動人心的可能結果奮鬥不息。「這是實驗上的一項壯舉，無論你得到什麼答案，你都可以為此感到自豪，」Hangst說。反物質研究並不一定會產生重大發現。但是，「如果你努力得到了一些結果」，他說，「不去進一步研究它簡直是犯罪！」

物質的事實

反物質物理學的根源可以追溯到1928年，當時英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）寫了一個描述電子以接近光速的速度運動的方程。狄拉克認識到，他的方程必須有正值解和負值解。他後來將這件數學怪事解釋為對反電子——現在被稱為正電子——存在的暗示，並且得出每個粒子都應該存在對應反物質的理論。

實驗物理學家卡爾·安德森（Carl Anderson）在1932年證實了正電子的存在，當時他發現一個疑似電子的粒子，但是當它穿過磁場時軌跡向相反的方向彎曲。物理學家很快就意識到，正電子經常在碰撞中產生：當用足夠的能量粉碎粒子時，其中一些能量就可以變成一對物質–反物質。

到20世紀50年代，研究人員開始在粒子轉換中使用這種能量並生產反質子。但是，人們花了幾十年的時間才找到能夠產生足夠多的反質子的方法以用於捕捉和研究。其中一個研究動機非常令人心動——將反質子和正電子配對來製造反氫，然後與已經被充分研究的氫原子進行比較（參見「 爭辯反物質 」）。

Source: CERN

生產正電子的過程直截了當。這些粒子在某些類型的放射性衰變中產生，並且可以直接被電場和磁場捕獲。但是質量更大的反質子就是另一回事了。反質子可以通過質子撞擊緻密金屬產生，但是這種碰撞中產生的反質子移動太快而無法被電磁阱束縛住。

反物質尋求者需要一種大規模減慢或冷卻粒子的方式。CERN對減速和儲存反物質的嘗試始於1982年，用的是低能反質子環（LEAR）。在1995年，LEAR被關閉的前一年，一個團隊使用該設施的反質子產生了第一批反氫原子。

物理學家MichaelDoser和Jeffrey Hangst闡述了驅使他們不斷測量反物質的動力。

NaturePodcast

LEAR的替代品——反物質減速器於2000年上線，並進行了三次實驗。與其前身類似，它使反粒子易於控制，首先使用磁鐵將它們聚集在一起，然後用強電場使其減速。電子束也與反質子交換熱量，冷卻但不會接觸到它們，因為這些粒子類型都是帶負電的因而相互排斥。整個過程將反質子速度降低到光速的十分之一。但是反質子速度仍然太快而無法使用，所以所有這六個實驗都使用先進技術來進一步減緩和捕獲反質子。

過程中產生很大消耗。實驗採用以3000萬為 「一劑」的反質子，要生產一劑反質子，必須將12萬億個質子砸向靶標。Hangst的ALPHA實驗已經讓反質子減速到足以與正電子配對併產生反氫的程度，但只有30個粒子保留下來，其餘的或逃脫，或被湮滅或因要麼太快要麼狀態錯誤而被丟棄，Hangst表示用如此少量的反原子做實驗相當痛苦，「當你必須和這些東西打交道時，你會對所有其他的物理學都產生全新的態度。」

為獎品而競爭

CERN的反物質研究最終將會面臨來自德國Darmstadt的反質子和離子研究設備的競爭，該設施耗資10億歐元（77.787億人民幣），是一個國際性的加速器綜合設備，並將在2025年左右建成。但目前，CERN是唯一能夠產生速度低到能用於研究的粒子的設備。

現在，在反物質實驗室中有五個實驗正在進行（其中一個，GBAR，仍在建造中）。每個實驗組都有自己研究反質子的方式。雖然有些人的實驗獨一無二，但他們也經常爭相測量相同的性質，並獨立證實彼此的實驗結果（見「 實驗 」）。

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