反物质人在哪里？[节选]

物理学家戴夫·戈德堡在他的新书《后视镜中的宇宙》中剖析了宇宙的奥秘。在节选中，戈德堡探讨了物质-反物质之间的分歧

以下文章摘自戴夫·戈德堡的《后视镜中的宇宙：隐藏的对称性如何塑造现实》。达顿出版社，2013年。

通常，观看科幻电影来增强你对科学的理解并不是一个好主意。这样做会给你留下一个非常扭曲的印象，包括深空中爆炸的声音（它们不会发出声音），超越光速是多么容易（你不能），以及说英语、长相模糊类人但仍然性感的的外星人有多普遍（他们都结婚了）。但是，如果我们从《星球大战》和《星际迷航》中学到了一个好教训，那就是任何人都永远不应该招惹反物质。

反物质不仅不比普通物质更奇特，而且在几乎所有重要方面，它的外观和行为都相同。如果宇宙中的每个粒子都突然被其反物质版本取代，你甚至无法分辨出差异。坦率地说，物理定律在对待物质和反物质的方式之间存在对称性，但它们必须至少有一点点不同；你和你认识的每个人都是由物质而不是反物质组成的。

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我们喜欢认为事故不会发生，总有一些最终的原因可以解释，例如，为什么你不是站在一个充满反物质人的房间里。为了理解为什么会这样，我们将深入过去。

起源故事很难讲。并非所有事情都可以像被放射性蜘蛛咬伤、你的家园星球爆炸，甚至是通过复活死去的组织（你知道的，为了科学）那样被简洁地解释。我们自己的起源故事很复杂，但是你会很高兴知道，就像《绿巨人》一样，我们最终也是暴露于伽马辐射的结果。那是一个很长的故事。

根据我们在实验室中看到的一切，你不应该存在。这没什么个人的。我也不应该存在，太阳、银河系，或者（出于许多许多原因）《暮光之城》电影也不应该存在。让我换一种方式来说。

首先总结一下：你是由基本粒子组成的，这些粒子几乎完全是空的空间，而那些不是空空间的微小部分也没有那么大的质量。短暂的能量只是让它们看起来是这样。粒子可以从完整的布料和能量中产生，并且同样可以快速地被摧毁。你不仅远远大于你各部分的简单总和；严格来说，你的各部分加起来只是一个在脉动、尖叫的能量相互作用的龙卷风中一小堆火柴棍。 Yippee-ki-yay！

能量可以用来从完整的布料中制造物质，但是作为副作用，也会产生反物质。我提到了反物质的作用，但没有真正说明它是什么。准备好感到失望吧！

每种类型的粒子都有一个反物质版本，其行为几乎完全相同——例如，相同的质量——但具有相反的电荷。正电子的行为就像电子一样，但具有正电荷而不是负电荷。反质子具有负电荷，与质子的正电荷相反，等等。

关于反物质最疯狂的事情之一是，如果你足够聪明——而且显然只有英国物理学家 P.A.M.狄拉克足够聪明——你实际上可以在反物质被发现之前就预测到它。 1928年，狄拉克推导出了相对论量子力学的方程。是的，这听起来和它实际一样困难。通过研究这些方程式，他注意到缺少了一些解。例如，他发现电子应该自然地从理论中冒出来，但具有相同质量和相反电荷的其他粒子也应该被允许存在。

狄拉克的方程式预测，对于每个像电子这样的粒子，都会有一个反粒子。起初，他没有完全弄对。他认为正电子是

具有负能量的电子 [在] 外场中的运动，就好像它带有正电荷一样。

狄拉克不太清楚他的方程式在说什么。如果他最初的直觉反应是正确的，那么你基本上可以通过产生正电子来产生几乎无限的能量。这相当于通过运营无限免息债务来运营业务。

但最终，狄拉克找到了真相：正电子只是电子的另一面。换句话说，物质和当时尚未被发现的反物质之间似乎存在着深刻的对称性。

粒子的反物质邪恶双胞胎的现实是，尽管对立面可能会相互吸引，但粒子和反粒子采取这些冲动并不总是那么好。当电子和正电子彼此接触时，由此产生的燃烧会完全湮灭它们，在此过程中，E = mc²的魔力将它们的质量转化为大量的能量。

我们选择称哪个粒子为“反粒子”，哪个粒子为“正常”粒子，这没什么特别的。在一个完全由我们称之为反物质组成的平行宇宙中，那些反物质人无疑会称他们的原子是普通的，而我们会是反物质人。这真的是这样一种情况，即反物质人和我们都是对的。这仅仅是一个语义问题。

这并不是说我们的宇宙中没有反物质。反物质一直在太阳中产生，它在将氢聚变成氦的过程中会产生正电子作为副产品。在离我们更近的地方，我们能够在大型加速器中制造各种奇异的反粒子，例如法国和瑞士的大型强子对撞机。

为什么物质和反物质之间存在差异？是什么反应导致了一种比另一种的创造更多？毕竟，这是我们来自哪里以及为什么没有反物质人的最终答案。

没有人确切地弄清楚在宇宙早期时刻事情是如何发展的。我们所知道的是，由于宇宙在非常接近开始的时候发生某种对称性破坏，我们才得以存在。早期宇宙中的条件非常热——也许这与此有关。

你时不时会听到加速器被描述为“重现大爆炸的条件”。这或多或少是正确的。宇宙在过去更热，能量更高。你想探索越接近大爆炸，它就越热。到目前为止，我们在粒子加速器中看到的一切都没有丝毫产生净物质而不是反物质的迹象。目前的观点是，物质-反物质之间的小的核算错误发生在非常非常早的时候，大约在大爆炸后的10^-35秒，当时的温度是太阳中心温度的万亿倍以上。仅此足以说明，我们无法在实验室中产生这些能量。

即使在那些惊人的能量下，物质和反物质之间的不对称性也非常小。对于产生的每一十亿个反粒子，就有一个十亿零一个粒子。一个。只有一个。我们知道这一点，是因为目前宇宙中光子的数量大约是质子的十亿倍。当十亿个反质子与十亿个质子湮灭时，它们留下了我们今天观察到的数十亿个光子，尽管由于宇宙的膨胀而大大减弱。

最终，所有的反粒子都与几乎所有的粒子湮灭了，留下了十亿分之一的部分来制造我们现在看到的所有“东西”。正如爱因斯坦所说

我过去常常想知道电子是如何变成负电荷的。负-正——这些在物理学中是完全对称的。没有任何理由偏爱其中一个。那么为什么电子是负的呢？我想了很久，最后我所能想到的就是“它赢得了战斗！”

换句话说，你基本上是大爆炸后大约10^-35秒的一个四舍五入的误差。这不会让你觉得自己很重要，是吗？

当然，这对反物质人来说也同样令人沮丧。