有人說，事實有時比小說更奇妙。反物質(zhì)，就很好的體現(xiàn)了這一點(diǎn)。1928年，自狄拉克在他寫下的方程中預(yù)言了反物質(zhì)的存在起，物理學(xué)家和科幻作家就對它充滿了無限的好奇。

如果有一天，你遇到了一個由反物質(zhì)構(gòu)成的“你”，千萬不要觸碰他/她，因為當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時，就會發(fā)生湮滅，化作一團(tuán)能量。而物理學(xué)家預(yù)期，這樣的一次大湮滅事件應(yīng)該發(fā)生在約138億年前。

○ 當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時，會發(fā)生湮滅，所有的能量都會以光子的形式釋放。| 圖片來源：RealLifeLore/YouTube

根據(jù)物理學(xué)最成功的理論之一——粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（該理論描述了宇宙中所有已知的粒子）的預(yù)測，在宇宙大爆炸之后，應(yīng)該有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)被創(chuàng)造出來，這就意味著正反物質(zhì)的相遇會導(dǎo)致湮滅的發(fā)生，從而毀滅了宇宙的形成。但結(jié)局很明顯，物質(zhì)贏得了138億年前的那場宇宙級湮滅之戰(zhàn)，因為我還在這里寫這篇文章，而你此刻正閱讀這篇文章。你、我、行星、恒星、星系……皆在。這是為什么？這個問題是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的懸念之一。

為了解釋這個問題，物理學(xué)家假設(shè)，除了正反物質(zhì)的電荷相反之外，它們之間必須存在著其它極小的差異。但無論這個差異是什么，都不會是它們的磁性。

歐洲核子研究中心（CERN）的反重子對稱性實驗（BASE）的物理學(xué)家，對反質(zhì)子的磁矩進(jìn)行了迄今為止最精確地測量，發(fā)現(xiàn)它跟質(zhì)子的磁距完全一樣（除了擁有相反的符號）。這一讓人“喜憂參半”的實驗結(jié)果于10月18日發(fā)表在《自然》雜志上。令人欣喜的是，此次對反質(zhì)子磁距地測量的精確度相比之前的測量要提高了350倍，要知道反質(zhì)子的磁距是非常小的（比正電子的磁距小660倍），因此要精確地測量它是一項極大的挑戰(zhàn)；而令人憂愁的一面，物質(zhì)和反物質(zhì)的完美對稱，依舊暗示著這個宇宙本不應(yīng)該存在，這迫使我們不得不重新思考這個問題。

○ 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揭開反物質(zhì)之謎的團(tuán)隊。| 圖片來源：Nature

先前，科學(xué)家已經(jīng)對物質(zhì)和反物質(zhì)的質(zhì)量和電荷等性質(zhì)進(jìn)行了一系列極其精確的測量，但均沒有發(fā)現(xiàn)任何細(xì)微的差異。去年的時候，同樣是在CERN進(jìn)行的ALPHA實驗對反氫原子的光譜進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)反氫原子的躍遷頻率與普通原子的躍遷頻率一致，這是研究人員耗費(fèi)了20年的努力成果。而在不久前，ALPHA實驗更進(jìn)一步，發(fā)現(xiàn)反氫原子也產(chǎn)生著名的21厘米氫發(fā)射譜線，再次證明氫原子和反氫原子之間有著完美的對稱性。

但一直以來，質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩一直是科學(xué)家無法有效進(jìn)行比對的方面，因為這很難做到。要對反物質(zhì)進(jìn)行觀察和測量是非常棘手的，因為一旦這些反粒子與正粒子接觸，它們就會消失。所以我們不能簡單地將一束反質(zhì)子送入實驗裝備中，還期望它們能表現(xiàn)良好，它們與任何普通物質(zhì)接觸時（如實驗裝置中的容器），都能導(dǎo)致它們被瞬間摧毀。因此，為了防止反物質(zhì)與物質(zhì)接觸，物理學(xué)家必須創(chuàng)造出可以隔離反質(zhì)子接觸物質(zhì)的“陷阱”，才有進(jìn)行研究的可能。

因此，在建造這一實驗設(shè)備中，其中一項重要的挑戰(zhàn)和研究就是如何開發(fā)出更復(fù)雜更完善的磁阱：在含有反物質(zhì)粒子的磁阱中，磁場的細(xì)微不完美都能導(dǎo)致粒子泄漏；而在更完美的磁場里，粒子泄漏的可能性更小，反物質(zhì)與物質(zhì)被保持隔離的時間也越長。

○ BASE實驗。| 圖片來源：STEFAN SELLNER, FUNDAMENTAL SYMMETRIES LABORATORY, RIKEN, JAPAN

早在十年前開始，BASE實驗就開始試圖實現(xiàn)這一目標(biāo)。BASE是一個非常復(fù)雜精密的儀器，它能精確地測量質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩，并能偵測到兩者之間哪怕極其細(xì)微的差別。而在此次的突破中，研究人員使用兩個低溫的彭寧阱（Penning traps），破紀(jì)錄的將反質(zhì)子困在里面長達(dá)405天。在這段時間內(nèi)，研究人員可以將另一個磁場應(yīng)用在反物質(zhì)身上，迫使在粒子自旋中產(chǎn)生量子躍遷，從而可以對它們的磁距進(jìn)行精確地測量。

他們努力的研究結(jié)果表明，質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩完全相同：反質(zhì)子的磁矩精確到小數(shù)點(diǎn)的后9位：-2.7928473441μ_N，質(zhì)子的磁矩為2.7928473509μ_N，最后幾位數(shù)的小小差別也是在允許的誤差范圍內(nèi)。也就是說，假如質(zhì)子和反質(zhì)子的磁距真的存在差異，那么也將在小數(shù)點(diǎn)后的9位之外，而以我們現(xiàn)有的技術(shù)還不足以探測到這種差別。BASE實驗結(jié)果再次驗證了所謂的CPT對稱性，這是一個非常重要的對稱性，它依賴于粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的基本假設(shè)。

○ CPT對稱性指物理定律在電荷共軛（把粒子換成反粒子）、宇稱（鏡像中的世界）、時間反演的聯(lián)合變換下保持不變。| 圖片來源：Chad Ozel

BASE的物理學(xué)家 Christian Smorra 表示：“所有的觀測結(jié)果都顯示了物質(zhì)和反物質(zhì)間的完全對稱性，這也是為何我們認(rèn)為宇宙根本就不該存在的原因。很顯然，不對稱必須存在，但我們卻始終弄不明白這差異出在哪里?！?/span>

除了等待CERN的幾個反物質(zhì)實驗的測量結(jié)果，有一些科學(xué)家則另辟蹊徑。他們把目光鎖定在我們所熟悉的電子的形狀之上。自湯姆遜（J.J. Thomson）發(fā)現(xiàn)電子以來，科學(xué)家就一直在追問：電子到底有多圓？

○ 如果我們能夠發(fā)現(xiàn)電子的形狀哪怕只有一點(diǎn)的不對稱，或許就能夠回答：為什么現(xiàn)在宇宙中充滿了物質(zhì)，而不是反物質(zhì)。| 圖片來源：Science

在過去30年中，一系列越來越靈敏的實驗顯示，如果電子的形狀存在著稍微的扭曲，那么扭曲的大小也將必須小于10^-27毫米！現(xiàn)在，科羅拉多大學(xué)的實驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）的研究人員描述了一個截然不同的方法，或許能夠在未來揭示電子的扭曲，并進(jìn)一步減少不確定性。

○ 如果電子有任何扭曲，其大小也必須小于10^-27毫米。| 圖片來源：Science

如果電子的“蛋形”真實存在，將由所謂的電偶極矩（EDM）來量化?？茖W(xué)家通常認(rèn)為電子是一個非常小、且均勻的負(fù)電荷球體，一個不為零的EDM意味著電荷分布不均勻，形成一個區(qū)域比粒子的平均電荷更帶正電（+ +），而另一個區(qū)域更帶負(fù)電（- -）。

○ 一個不為零的EDM意味著電荷分布不均勻。| 圖片來源：Science

這看似微不足道的不對稱性，卻有著無比深遠(yuǎn)的含義，因為它違背了時間反演對稱性（即無論時間是向前還是向后，物理過程都應(yīng)該是一樣的）。這不僅意味著描述已知粒子和力的標(biāo)準(zhǔn)模型有漏洞，需要一個包含比迄今為止所看到的更多的基本粒子的模型（比如超對稱理論預(yù)測了還有許多等待被發(fā)現(xiàn)的粒子擁有更大的偶極矩）；同時，這也意味著物質(zhì)和反物質(zhì)之間存在著基本不對稱，從而解釋宇宙中為何包含了更多的物質(zhì)。

有許多物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙中的超額物質(zhì)暗示著電子的EDM“極有可能”存在。盡管我們依然不知道EDM的大小，但最廣為接受的理論預(yù)言了它的大小應(yīng)該是能夠被探測到的。

由于EDM能夠?qū)е乱粋€電子的自旋軸在電場中旋轉(zhuǎn)，因此理論上只要將電子置放在正極和負(fù)電極之間就可以探測到。但是由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力非常微弱，弱到電子在撞擊到正極之前幾乎不會開始轉(zhuǎn)動。

科學(xué)家通常通過研究某些中性原子和分子內(nèi)的電子來繞開這個問題。他們對原子或分子束進(jìn)行探測，以尋找某些電子搖擺的跡象，即EDM的證據(jù)。但是，原子或分子束的運(yùn)動會限制測量時間，因此JILA的研究人員Eric Cornell和他的同事選擇了一個大膽的嘗試。他們將一種被稱為四氟化鉿的無機(jī)化合物中的分子離子限制在一個旋轉(zhuǎn)的電場中，使得離子的運(yùn)動軌跡會勾勒出一個小圓，而不是像在原子或分子束中那樣飛走。在克服了與這個圓周運(yùn)動相關(guān)的一些技術(shù)障礙之后，他們追蹤了電子的自旋進(jìn)動“長達(dá)”0.7秒?；蛟S你會認(rèn)為這只有短短不到一秒的時間，但比利用原子或分子束的方法已經(jīng)高出了1000倍。

Cornell的小組還沒有對電子的球形度進(jìn)行最好的測量，因為離子之間會相互干擾對方的自旋，從而限制了離子可以同時被測量的數(shù)量。然而，不久前，為了同時捕捉更多的離子，JILA的團(tuán)隊在更高的電場下開始了全新的實驗。結(jié)合了其它細(xì)微的實驗改進(jìn)，Cornell表示在接下來的幾年內(nèi)，實驗的靈敏度將提高10倍。Cornell也補(bǔ)充道，他們未來將使用氟化釷進(jìn)行實驗，氟化釷更難測量，但其穩(wěn)定性更強(qiáng)，使我們能觀測到電子進(jìn)動的時間更長。

同時，其它的小組也在利用不同的方法來提高實驗的靈敏度。在接下來的幾年內(nèi)，隨著靈敏度不斷地提高，我們希望能夠最終探測到電子的EDM。如果我們依舊沒有發(fā)現(xiàn)任何不對稱性，那么就會有一系列關(guān)于電子EDM的理論被排除。當(dāng)然，理論家還會繼續(xù)提出更多新的理論。

到目前為止，謎題依舊存在。我們?nèi)耘f需要繼續(xù)追問：為什么這個宇宙會存在？答案肯定隱藏在某個線索里，只是我們還沒找到。