在科學(xué)史上，將兩個(gè)理論成功地結(jié)合，往往會(huì)收獲意想不到的回報(bào)。

回到上個(gè)世紀(jì)初，狹義相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，使物理學(xué)發(fā)生了天翻地覆的改變。狹義相對(duì)論顛覆了我們的時(shí)空觀，而量子力學(xué)揭示了微觀世界的詭異行為。

1928 年，物理學(xué)家保羅 · 狄拉克寫下了一個(gè)結(jié)合了狹義相對(duì)論和量子力學(xué)的方程，用來描述高速運(yùn)動(dòng)的電子的行為。這本就是一項(xiàng)極其了不起的成就，但更令人驚奇的是，這個(gè)方程還預(yù)言了一個(gè)更為奇異的世界。

狄拉克發(fā)現(xiàn)，這個(gè)方程實(shí)際上預(yù)言了一類全新粒子的存在——對(duì)于每一個(gè)粒子，都存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的反粒子。例如，對(duì)于電子而言，應(yīng)該存在一個(gè) " 反電子 "，它們具有相同的質(zhì)量，卻有著相反的電荷。

1932 年，物理學(xué)家卡爾 · 安德森在觀察穿過云室的宇宙線時(shí)，看見了一個(gè)與電子質(zhì)量相同、帶有正電的物體留下的軌跡。他認(rèn)為，這些軌跡實(shí)際上是就是 " 正電子 "（也就是電子的反粒子）所留下的。

左：狄拉克方程預(yù)言了反物質(zhì)的存在；右：安德森在云室中拍攝到了正電子的軌跡，并于 1932 年 9 月 9 日，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。

盡管距離第一個(gè)反粒子的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了 90 年，但反物質(zhì)仍然充滿了許多未解的難題。在探索的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了許多與反物質(zhì)相關(guān)的有趣而又令人困惑的事實(shí)。

每一個(gè)原子都包含了反物質(zhì)

無論是我們的身體，還是周圍的世界，都是由原子構(gòu)成的。

我們都知道原子是由質(zhì)子、中子和電子組成的。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，它們是原子核的組成部分，占宇宙可見物質(zhì)的 99% 以上。但與電子不同的是，核子并非基本粒子，它們是由夸克組成的。

夸克有六種類型，或者說六種 "味"，其中最輕的上夸克和下夸克最有可能在核子中找到。在最簡(jiǎn)單的圖景中，質(zhì)子包含了三個(gè) " 價(jià)夸克 " ——兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克，它們的電荷（分別是 +2/3 和 -1/3）結(jié)合起來使質(zhì)子的電荷為 +1。

但隨著物理學(xué)家對(duì)質(zhì)子的了解逐漸深入，他們發(fā)現(xiàn)事情遠(yuǎn)沒有那么簡(jiǎn)單。在質(zhì)子的內(nèi)部，實(shí)際上還包含了將夸克束縛在一起的膠子，以及不斷出現(xiàn)和消失的夸克和反夸克對(duì)。

根據(jù)描述夸克和膠子相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)（QCD），六種味的夸克都應(yīng)該存在于質(zhì)子內(nèi)部。物理學(xué)家基本同意質(zhì)子內(nèi)部還存在著內(nèi)在奇夸克（也就是第三輕的夸克），而 QCD 也告訴我們，每當(dāng)一個(gè)奇夸克被創(chuàng)造，一個(gè)反奇夸克也必須出現(xiàn)。在最近的一項(xiàng)研究中，物理學(xué)家甚至還找到證據(jù)表明，質(zhì)子內(nèi)部還存在著比質(zhì)子本身都重的內(nèi)稟粲夸克。

除了原子，還有反原子和奇異原子！

歐洲核子研究中心（CERN）是目前世界上最強(qiáng)大的粒子加速器，它可以創(chuàng)造出完全由反物質(zhì)構(gòu)成的反原子。最簡(jiǎn)單的反原子是反氫原子，由一個(gè)正電子和一個(gè)反質(zhì)子組成。

無論是反氫原子還是反質(zhì)子，都可以被用于檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論的一個(gè)重要原理——弱等效原理。該原理告訴我們，所有處于相同引力場(chǎng)中的物體，無論其性質(zhì)如何，都會(huì)經(jīng)歷相同的加速度。到目前為止，實(shí)驗(yàn)均表明弱等效原理不僅適用于物質(zhì)，也適用于反物質(zhì)。

除了反原子外，CERN 還創(chuàng)造出了由物質(zhì)和反物質(zhì)構(gòu)成的奇異原子。CERN 有一臺(tái)特殊的儀器，叫反質(zhì)子減速器，它能夠減緩那些以接近光速的速度進(jìn)入該設(shè)備的反質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)反質(zhì)子變慢后，科學(xué)家會(huì)將它們與冷卻到接近絕對(duì)零度的液氦混合。其中一小部分的反質(zhì)子會(huì)在液氦中被捕獲，使原本繞氦原子核運(yùn)行的兩個(gè)電子中的一個(gè)被反質(zhì)子取代，形成了能在短時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的反質(zhì)子氦。

除了包含反質(zhì)子的混合氦原子之外，其他奇異原子還包括μ 子素（Muonium）和正電子素（positronium）。奇異原子被用來研究極小尺度上的物質(zhì)和反物質(zhì)之間的相互作用，這些相互作用是尋找新物理的重要工具。例如，通過奇異原子，科學(xué)家正在尋找神秘的暗物質(zhì)和第五種力。

為什么我們會(huì)存在？

物質(zhì)、能量、時(shí)間和空間 …… 已知所有的一切都始于 138 億年前的大爆炸。

根據(jù)已知的物理學(xué)定律，在大爆炸之后，宇宙中應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。而我們知道，當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)，它們會(huì)湮滅，以光子的形式釋放出能量。這就意味著，理論上，在宇宙最初的時(shí)刻，物質(zhì)和反物質(zhì)就應(yīng)該全部湮滅，使宇宙中只剩下能量。如果是這樣，那么今天的宇宙就不會(huì)有星系、恒星、行星，甚至是你、我的存在了。

幸運(yùn)的是，這一切并沒有發(fā)生，否則我們也不會(huì)在這里對(duì)我們的存在感到疑惑。那么，究竟是什么導(dǎo)致了物質(zhì)和反物質(zhì)之間的輕微不對(duì)稱性，使今天的宇宙全是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)組成的？這是當(dāng)今物理學(xué)最大的謎團(tuán)之一。

1967 年，物理學(xué)家Andrei Sakharov提出，如果宇宙滿足三個(gè)條件那么就有可能演化出一個(gè)由物質(zhì)主導(dǎo)的世界，其中一個(gè)條件便是CP 對(duì)稱性必須被打破（或者說 CP 破壞）。簡(jiǎn)單來說，CP 對(duì)稱性指的是，在一個(gè)鏡像世界中，反粒子的行為應(yīng)當(dāng)和粒子完全相同。

在過去的幾十年中，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)夸克和反夸克打破了 CP 對(duì)稱性，但從夸克中所觀察到的 CP 破壞的量完全不足以解釋最初的物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不對(duì)稱性。2020 年，物理學(xué)家也首次報(bào)告了他們?cè)谳p子中發(fā)現(xiàn)了 CP 破壞的證據(jù)。如果結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)，這將是 CP 破壞的全新來源。

現(xiàn)在，世界各地的大型實(shí)驗(yàn)仍在努力，希望找出物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微小差異。隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度不斷提高，我們終將解開我們的存在之謎。