重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗?至今难以计数的粒子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例,但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴。化学反应是元素的重新组合。经验表明,在重组合的前后,每一种元素的原子数是守恒的,无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败,更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识后人们已清楚知道,汞变成金完全可能,关键在于要有高的能量让原子核发生变化。
化学反应是在粒子能量小于1eV的条件下进行的,这条件下原子核不能相互接触,核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过1MeV,原子核之间就能充分接近,那么原子核就能变化了,原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来,原子数在化学过程中的守恒不是偶然的,但是它仅是低能下的唯象规律,而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理,重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律,而不是普遍成立的。当粒子的能量更高,重子数的守恒性完全可能会不成立,这正是今天的理论家看到的出路。
从70年代中期起,粒子物理中由弱电统一理论的成功,掀起了研究相互作用大统一的潮流。按这样的理论,高能下发生破坏重子数守恒的过程是自然的事,粒子物理中的这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合了。于是这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展。人们已清楚,要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质为主的状态,除了重子数守恒须可能被破坏外,正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别。由于超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握,因此实际上自然界是否确实具备这两个要素,尚不能回答,人们正在试探和摸索之中,如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实,问题是否能按这思路得到解决也还并不完全肯定。
总之,为彻底揭开宇宙反物质之谜,前面还有漫长路要走。人们已能预料,这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的,它对物理学的影响也将是很深刻的。
反物质的制造
在大型加速器系统里,一束非常接近光速运行的“质子束”撞击一个固定靶(研究反物质使用的是固定靶运行模式。此方法类似于“用消防水枪射击墙壁”且随后会形成四溅的水花和被冲刷下来的墙壁杂质;但不同的是,“固定靶运行模式”可以产生撞击前不存在的新粒子),会与靶中的粒子相撞产生许多快速散开的“碎片”(即次级粒子),这些“碎片”中包括一些碰撞前不存在的粒子,它们是由高能束流中的能量在碰撞时转化成质量而形成的。按照爱因斯坦“能量与质量相互转化”的原理,科研人员利用此方法产生了碰撞前不存在的“带负电的质子”(反质子),但它们飞行速度很快,所以要再通过减速器让“反质子”静止下来,再将“反质子”与“带正电的电子”(即反电子)相融合,最终形成了“反氢原子”。
大型强子对撞机 《天使与魔鬼》中的反物质就是在这里制造
但问题是,“反氢原子”不能接触正物质的世界,否则会迅速与正常物质中原子相遇并形成能量(辐射或亮光)。这与“酸碱物质相遇会发生中和反应”有些类似;因此,“反氢原子”必须相对静止地被保存在真空容器中,而且不能碰到试验设备,科学家们要借助电磁力或其他方法把制造出来的“反氢原子”稳定住或抓住。
有科学家称,制造“反氢原子”难度大,因为要在每次碰撞产生的成千上万个“碎片”中“拣到”“反质子”,然后通过减速器放慢它们的运行速度,以利于最后融合产生“反氢原子”;而保存“反氢原子”的难度更大,因为自然界全由正物质组成,反氢原子极易与正物质发生上面提到的湮灭反应。