反物質(zhì)去哪了？

苗千

在丁肇中的倡導下，第一代阿爾法磁譜儀AMS-01在1998年6月由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機送入太空，這個相對簡單的探測器證明了在太空中進行粒子探測的可能性，但并沒有探測到任何反氦原子核。經(jīng)過AMS-01的雛形之后，由美國能源部及十幾個國家共同投資，來自56家機構(gòu)的500多名科學家共同參與設(shè)計的升級版本AMS-02，在2011年由“奮進號”航天飛機送往太空。2011年5月19日，宇航員們操縱一個機器手臂把這個1立方米大小、重達8.5噸的巨大磁體安裝在了國際空間站的外側(cè)，進行太空粒子探測。

幾年的時間過去，在美國航空航天局關(guān)于阿爾法磁譜儀的實時網(wǎng)頁上顯示，這個機器已經(jīng)在太空中工作了2100多天，探測了宇宙空間中超過1000億個粒子。被AMS-02捕捉到的絕大多數(shù)都是質(zhì)子和氦原子核，也有一些自由電子、碳原子核、氧原子核和鐵原子核，另外還有極少的反質(zhì)子和正電子（分別是質(zhì)子和電子的反粒子）。丁肇中最為關(guān)心的是AMS-02探測到的各種反粒子，這正是他當年提議和設(shè)計阿爾法磁譜儀的初衷，希望能夠理解為什么在宇宙中物質(zhì)占絕對多數(shù)，而反物質(zhì)則極其稀有。另外，丁肇中認為這些反粒子的能量和來處，可能為人類尋找暗物質(zhì)提供線索，因為這些反粒子可能就是某種暗物質(zhì)粒子的產(chǎn)物。

這個花費了15億美元的探測項目所探測到的零星反物質(zhì)粒子，此前并沒有在物理學界引起太大反響。與丁肇中的意見不同，很多物理學家認為這些反粒子只不過是宇宙中一些人們已經(jīng)司空見慣的天文現(xiàn)象所產(chǎn)生的副產(chǎn)品罷了，如脈沖星、超新星爆發(fā)，都可能產(chǎn)生出大量的反物質(zhì)，不足為奇，起碼以目前的天文學理論都能做出可行的解釋。

但是AMS-02的另外一些發(fā)現(xiàn)卻可能完全改變?nèi)藗儗@個項目的看法。在幾年間探測到的上千億個粒子之中，有“四五個”粒子信號引起了丁肇中的注意——AMS-02有可能首次在太空中探測到了反氦3原子核，一種由兩個反質(zhì)子、一個反中子形成的反物質(zhì)原子核。盡管丁肇中還沒有正式就這個發(fā)現(xiàn)發(fā)表科學論文，但一旦確認了在茫茫宇宙中存在這種極為稀少的原子核，一定會讓眾多的物理學家和天文學家感到激動，并且開始正視阿爾法磁譜儀項目的意義，這為人類在宇宙中尋找反物質(zhì)提供了新的思路。

2016年12月8日，AMS-02項目發(fā)布了阿爾法磁譜儀進行探測的第一個五年數(shù)據(jù)總結(jié)。在列舉了各種數(shù)字和圖表之后，報告只在接近結(jié)尾處輕描淡寫地提了一句，在5年的探測中，大概每一年都會有一個反氦原子核的疑似信號。隨后在2016年12月12日，丁肇中在歐洲核子中心做了一個關(guān)于阿爾法磁譜儀進行宇宙射線探測數(shù)據(jù)的報告。在報告中，他同樣沒有明確承認AMS-02發(fā)現(xiàn)了反氦原子核，只是含糊地表明，“還沒有排除幾個有可能的信號”——這種表述，加上隨后幾個月的各種傳聞，已經(jīng)足以在物理學界引發(fā)熱潮。當年的AMS-01沒有發(fā)現(xiàn)反氦原子核，相比之下AMS-02的靈敏度提高了1000倍。尋找反氦原子核正是阿爾法磁譜儀項目最重要的目標之一，發(fā)現(xiàn)反氦原子核的意義與發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子或正電子完全不同。

目前，人類還沒有任何宇宙學模型可以解釋，何以在宇宙空間中能夠出現(xiàn)反氦原子核——現(xiàn)在人們所理解的宇宙學現(xiàn)象都只能產(chǎn)生反質(zhì)子或是正電子。如果發(fā)現(xiàn)反氦原子核最終得到證實，那么人們不得不開始考慮，是否就在宇宙的某處，和人們所熟悉的由物質(zhì)構(gòu)成的世界類似，還存在著一個由反物質(zhì)主導的世界，在那個世界里又會偶爾有極少部分的反物質(zhì)粒子逃離，經(jīng)過長途跋涉來到太陽系，最終被阿爾法磁譜儀所捕獲。

根據(jù)標準宇宙學模型，在最初的宇宙大爆發(fā)過程中產(chǎn)生了等量的物質(zhì)與反物質(zhì)，這兩種物質(zhì)一旦相遇就會互相湮滅，轉(zhuǎn)化為能量。但是隨著宇宙范圍的擴大，這兩種物質(zhì)逐漸分離，不再發(fā)生湮滅。問題在于，宇宙何以演變?yōu)楝F(xiàn)在人們所感知的，由物質(zhì)主宰的宇宙？反物質(zhì)都去哪了？有一種理論認為，早期的宇宙更傾向于物質(zhì)，因此更多的物質(zhì)留存了下來，也有可能反物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，逐漸演變成現(xiàn)在的宇宙，但是此中的細節(jié)并不清楚。也始終有一種觀點認為，在宇宙的某處，必定還聚集著大量的反物質(zhì)。

如果在宇宙的某處，同樣存在著由反物質(zhì)所主宰的世界，那么物質(zhì)世界與暗物質(zhì)世界遲早會相遇，在這兩種物質(zhì)相遇的界面，就必定會產(chǎn)生出大量的、劇烈的伽馬射線。人類至今為止還沒有觀測到這種射線的存在。因此，斯坦福大學的物理學家羅杰·布蘭福德（Roger Blandford）認為，幾乎沒有可能在宇宙中發(fā)現(xiàn)全部由反物質(zhì)構(gòu)成的星系。但是反氦原子核的存在一旦得到確認，必將使全世界的物理學家都開始反思宇宙中是否存在某處大量反物質(zhì)的聚集地。

丁肇中以一貫謹慎的態(tài)度對待AMS-02發(fā)現(xiàn)的這幾個反氦原子核信號。他首先需要查明這并不是來自于機器錯誤，例如因為大量粒子進入探測器引起機器的誤判?；蛟S最終時間會給出答案：AMS-02至少還會在國際空間站工作至2024年。如果宇宙中確實存在反氦原子核，那么在剩下的幾年時間里，阿爾法磁譜儀必定還會做出更多的發(fā)現(xiàn)。

這樣一個耗資巨大、耗時又長的太空探測項目，在多年的探測過程中并沒有太多驚人的發(fā)現(xiàn)，越來越多的科學家都逐漸對它失去興趣，認為這可能是一個失敗的項目。但丁肇中多年來一直堅持這個計劃，在獲得值得注意的線索時，他又以一貫的謹慎態(tài)度不輕易下定論。人類科學有時正是在不斷的堅持之下，以一種令人意想不到的方式，在人們意想不到的領(lǐng)域取得突破。