是否真的有一簇反物質(zhì)環(huán)繞著我們的銀河系？

反恒星發(fā)射出的反物質(zhì)在地球上也能被探測到。

如同無法交融的陰陽兩極，反物質(zhì)的消散，是否意味著平衡已被打破？

（圖解：圖為電子以及它們對應(yīng)的反物質(zhì)——正電子，圍繞著一顆中子星運動并相互糾纏的樣子。為什么在宇宙中我們能看到的物質(zhì)要遠(yuǎn)比反物質(zhì)多得多？圖源：NASA戈達(dá)德航天中心）

我們并不知道為什么宇宙當(dāng)中的大部分地方都被正物質(zhì)占據(jù)，但可以肯定的是，宇宙中一定存在完全由反物質(zhì)構(gòu)成的恒星，甚至還可能存在由反物質(zhì)構(gòu)成的星系。

這些反物質(zhì)恒星會不斷地將反物質(zhì)發(fā)射至宇宙中，并且在高能粒子撞擊地球的過程中以一種極小的占比被我們檢測到。

不平衡的誕生

反物質(zhì)和一般物質(zhì)并沒有什么區(qū)別，每個粒子都有一個雙胞胎兄弟——反粒子。它們有著完全相同的質(zhì)量、自旋狀態(tài)以及幾乎一切完全相同的特征，唯一的例外就是它們所帶的電荷不同。比方說，電子的反粒子是正電子，它除了顯正電性以外，其他特性與一般電子幾乎一模一樣。

基礎(chǔ)物理的理論指出物質(zhì)和反物質(zhì)之間存在一種特殊的對稱性——它們是彼此幾近完美的鏡像復(fù)刻。對于每個物質(zhì)粒子而言，宇宙中都會存在一個和它對應(yīng)的反物質(zhì)粒子，看到這里想必你也會舉目四望，卻因為找不到一點反物質(zhì)的痕跡而困惑不已。我們看到的地球、太陽系、乃至銀河系間漂浮的塵埃都是一般物質(zhì)，仿佛整個宇宙都是完全由一般物質(zhì)組成的似的。

因為反物質(zhì)只存在于兩個地方。一個是在超能粒子對撞機(jī)（Ultra-powerful particle collider）[2]中——啟動對撞機(jī)并激發(fā)亞原子物質(zhì)，我們就能看到同時含有一般物質(zhì)和反物質(zhì)的射流噴涌而出。

另一個是宇宙射線[3]。宇宙射線并不是一種光線，而是一束疾馳著穿過茫茫太空并撞擊到我們的大氣層上的高能粒子。這些粒子源自于宇宙中發(fā)生的超高能反應(yīng)過程（Ultra-powerful processes），比如超新星的誕生和恒星之間的碰撞，所以我們的物理定律對它們也同樣適用。

但為什么反物質(zhì)如此稀有？既然正物質(zhì)和反物質(zhì)能達(dá)到如此完美的平衡，那么這些反物質(zhì)到底遭遇了什么？答案存在于早期宇宙中。

宇宙的未解之謎：反物質(zhì)究竟去向了何方？

反物質(zhì)星系

我們還不確定這種現(xiàn)象是什么原因?qū)е碌模欢ㄊ悄贻p宇宙中的某些東西失去了原有的平衡。我們推測在美好的往昔（這里指的是宇宙誕生之初的瞬間），宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)的產(chǎn)量是相同的，但緊接著就發(fā)生了一些變故，使得一般物質(zhì)比反物質(zhì)產(chǎn)生得更多、更快。而且這種產(chǎn)量差異并不需要多么夸張，僅僅十億分之一的差異就已經(jīng)足以打破原有的平衡，已經(jīng)足以讓正物質(zhì)成為整個宇宙的主宰，最終構(gòu)成恒星、星系，以及現(xiàn)在的你我。

無論這個反應(yīng)過程究竟如何——我應(yīng)該提到早期宇宙中的這種反物質(zhì)消減機(jī)制（Antimatter-killing mechanism）目前仍然是無法用已知的物理理論解釋的，有很多問題仍然懸而未決——它大概都還沒能完全達(dá)到自己的目的。早期宇宙極有可能還遺留下了許多一大團(tuán)一大團(tuán)的反物質(zhì)，它們漂浮在宇宙的各個角落。

這些大團(tuán)的反物質(zhì)如果能存在足夠長的時間，那么它們將在相對孤立的環(huán)境中長大。當(dāng)然，它們也可能在四處游蕩時與正物質(zhì)相遇并發(fā)生碰撞，然后便在一陣高能粒子的閃光中湮滅[4]，這在年輕的宇宙中可是件不小的麻煩。可一旦反物質(zhì)團(tuán)通過了這種試煉，它們就將變得戰(zhàn)無不勝。數(shù)十億年間，這些散落在各處的反物質(zhì)團(tuán)有可能聚集到一起組成了更大的反物質(zhì)團(tuán)。

還記得反物質(zhì)和一般物質(zhì)的唯一區(qū)別就是它們所帶的電性嗎？——兩者其余所有的物理運作機(jī)制都高度一致。

因此你能夠制得反氫（Anti-hydrogen）[5]、反氦（Anti-helium）[6]以及其他所有的反元素；你能找到“反灰塵”，還有以“反核聚變”為能量來源的反物質(zhì)恒星；你也可能出生在反物質(zhì)行星上，用“反玻璃杯”喝清涼的“反水”，作為一個反物質(zhì)人生活。

時光倒流

天文學(xué)家們不會猜想宇宙中是否存在完全由反物質(zhì)構(gòu)成的星系，因為它們與正物質(zhì)相互作用時（比如兩個星系間發(fā)生碰撞）必然會釋放出極為巨大的能量，大到直至今天也依然能被我們注意到。但更小的反物質(zhì)星團(tuán)是有可能存在的。

球狀星團(tuán)[7]很小，是一種由不到一百萬顆高密度恒星組成的星團(tuán)，它們通常會環(huán)繞著更大的星系運行。我們通常認(rèn)為球狀星團(tuán)都已經(jīng)十分年邁，因為它們內(nèi)部已經(jīng)不會再形成新的恒星，而是擠滿了體積矮小、發(fā)著黯淡紅光的“老年人口”。同時，球狀星團(tuán)也基本不含有什么氣體和星塵，而這些正是創(chuàng)造新生恒星所必須的燃料。它們是那個已經(jīng)逝去并逐漸被人們淡忘的時代留下的遺跡，只在深空中漫無目的地游蕩，笨拙又遲緩地圍繞著它們那些體積更大、更活躍的兄弟星系環(huán)行。銀河系的“隨行人員”中就有大約150個這樣的球狀星團(tuán)，而它們當(dāng)中的一些成員就很有可能是由反物質(zhì)構(gòu)成的。

最近發(fā)表在預(yù)印本[8]網(wǎng)站arXiv[9]上的一篇論文中，一個理論天體物理研究組的學(xué)者們圍繞“如果繞銀河系環(huán)行的球狀星團(tuán)中的一員實際由反物質(zhì)構(gòu)成”的假設(shè)進(jìn)行了推算，他們只提出了一個很簡單的問題：若事實果真如此會發(fā)生什么？

首先我們可以排除發(fā)生爆炸的可能——除非這個球狀星團(tuán)豎直地穿過銀盤[10]。因為反物質(zhì)星團(tuán)是由恒星組成的，這些恒星并不會占據(jù)很大的體積，所以發(fā)生碰撞和爆炸的概率并不太高。跟想象中不同，大部分反物質(zhì)恒星有著與普通的恒星們相同的平淡日常，它們也和一般的恒星做著同樣的事。比如不間斷地發(fā)射著粒子流，或是擁有巨大的耀斑和日冕物質(zhì)拋射事件，或彼此間發(fā)生碰撞，亦或以超新星爆發(fā)的方式華麗地從星際舞臺退場。

所有這些反應(yīng)過程都將釋放出成噸的反粒子，它們被發(fā)射到反物質(zhì)星團(tuán)之外并被送到附近的宇宙中，也包括銀河系和我們的太陽系在內(nèi)，反粒子會作為宇宙射線的一部分出現(xiàn)在這些地方。那么，每天撞擊在地球大氣層上的那些反粒子有沒有可能是某一顆反物質(zhì)恒星在數(shù)百萬年之前發(fā)射的呢？現(xiàn)在我們還很難給出一個確定的答案?？梢钥隙ǖ氖侨w宇宙射線中一定混入了一部分反粒子，但是因為宇宙中的磁場改變了帶電粒子（粒子與反粒子）的運動路徑，所以我們很難準(zhǔn)確地找到某一束宇宙射線的來源。

但如果天文學(xué)家能夠鎖定一個強(qiáng)烈活躍著的反粒子源球狀星團(tuán)，我們就能夠像搭乘上時空膠囊一樣，得以窺見這個宇宙原初之時霸主的真容。

我們也許永遠(yuǎn)都沒有機(jī)會去拜訪反物質(zhì)星團(tuán)，正反物質(zhì)相遇即會湮滅的特性，注定了我們終其一生無法相見的命運。

BY:Paul Sutter

FY:趙若彤

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