反物質的發現

1928年，量子力學大師狄拉克在提出了自己的狄拉克方程後，原本應該大喜過望，卻反而陷入了沉思。因為在這個方程裡，有一個問題不能解決，那就是電子可能擁有負能量。

剛剛發現這個問題的時候，物理學家們甚至都不知道這是數學上出現了計算問題，還是真的存在這樣詭異的粒子。為了解釋這個問題，他提出了狄拉克海的概念，認為宇宙中本來就有各種帶有負能量的粒子，只不過它們的能級都被填滿了，所以我們只能看見普通的粒子。

我們現在知道，狄拉克發現的，其實就是所謂的反物質。所謂的反物質，就是和普通的粒子相對應的一些粒子，雙方擁有著相反的能量等一些映象的資料。

1932年的時候，美國物理學家安德森發現了正電子，這是人類第一次證實了反物質的存在。1955年，美國物理學家格雷西又發現了反質子，至此再無人質疑反物質的存在。

現在我們知道，所有的粒子都有屬於自己的反粒子。而且，當相同的正粒子和反粒子相遇時，二者就會發生湮滅，轉化為能量，而這個轉化過程就遵循愛因斯坦提出的質能方程，產生的能量極其巨大。僅僅一克物質和對應的反物質湮滅，就會產生超過4萬噸TNT烈性炸藥的能量！

隨著反物質發現得越來越多，新的問題也出現了：如果所有的物質都有完全對應的反物質，那麼它們在宇宙大爆炸的時候應該是等量產生的。可是，今天的宇宙中幾乎只有普通物質，除了一些粒子的衰變、宇宙射線或者人類的實驗中，幾乎沒有反物質的存在。那麼，它們到底去哪了呢？

反物質消失之謎

這個問題一直是困擾著科學家的終極謎題，甚至在各種科學謎題的排行榜中都有它的身影。多年以來，科學家們一直試圖找到這個問題的答案，並提出了多種理論。最近，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機底夸克（LHCb）實驗似乎找到了可能的答案。

（圖片說明：LHCb實驗）

科學家指出：之所以有今天物質主宰宇宙的局面，應該是宇宙大爆炸初期有什麼機制導致物質佔了上風，這或許與當時高得驚人的密度和溫度有關。然後，隨著宇宙逐漸冷卻，殘餘的少部分反物質全都和物質發生湮滅，轉變為能量，從此宇宙中只剩下物質和能量。

問題就出現在這裡：到底是什麼機制導致了物質的盈餘呢？

LHCb的科學家們認為：或許夸克能解釋這個問題。

夸克的秘密

我們知道，質子和中子等重子並不是基本粒子，它們都是由一種叫做夸克的粒子構成的。夸克又分為六種，物理學家稱之為六個“味”，分別是上、下、奇、粲、底和頂。此外，這六種夸克又分別有它們自己對應的反物質，也就是六種反夸克。

上夸克和下夸克是我們比較熟悉的，因為質子和中子都是由它們構成的。而其他夸克可以透過一些高能環境產生，就比如像歐洲的大型強子對撞機這樣的粒子加速器。

（圖片說明：大型強子對撞機）

同時，一個夸克和另一種反夸克還可以結合為介子。其中，有四種中性介子非常值得注意，分別是B0s、B0、D0和K0介子，它們可以自發地變成對應的反粒子，還可以再變回原來的粒子，這個現象最早在20世紀60年代被發現，被稱為味振盪。

這些基本粒子並不穩定，在振盪的過程中，就會發生衰變，分裂成其他更穩定的粒子。而在這個振盪和衰變的過程中，就有可能蘊藏著宇宙中反物質消失之謎的答案。

CKM機制

1956年，楊振寧和李政道做了一件轟動物理學界的事，那就是在吳健雄的幫助下證明了弱相互作用下的宇稱不守恆。接下來，物理學家又提出了電荷-宇稱的守恆，但同樣在1964年被發現了對稱性破缺。

1973年，物理學家們提出了卡比博-小林-益川矩陣，也就是所謂的CKM機制，給出了電荷-宇稱不守恆存在的必要條件。在這個機制中，物理學家指出了物質和反物質的一些細微差別。

現在科學家認為，反介子和介子的衰變有所不同，在振盪的過程中，其衰變速度會有所降低。於是，更多的介子衰變成了其他的物質，而反介子衰變得較少，又振盪回介子，衰變……在這個過程中，反物質就越來越少了。

但是問題在於，目前我們發現的這種差異還比較小，不足以解釋今天我們看到宇宙完全由物質主宰的局面。也就是說，一定還有其他什麼機制，是我們目前還不瞭解的，它同樣可以造成二者之間的差異。

物理學大廈的建立

在LHCb實驗中，科學家們對B0s介子進行了研究，觀察它們衰變為兩個帶電的k介子的過程。利用大型強子對撞機，科學家可以利用質子之間的碰撞製造出B0s介子，也會產生反B0s介子。這些介子在被製造出來後，每秒鐘就能反覆震盪數萬億次，二者之間振盪次數的差異就是科學家重點關注的資料。

他們發現，二者的衰變次數果然不一樣，B0s介子衰變更多一些，這也是科學家首次發現B0s介子和反B0s介子之間的衰變隨著振盪而出現不對稱的現象。

這次發現，不僅可以幫助我們理解反物質消失之謎，而且讓科學家測量到了不對稱性的規模，這對於其他物理引數的測量也有重要的意義。透過這次研究的資料和以往的一些資料進行對比，可以檢驗此前的研究和理論是否正確，鞏固已經建立的物理模型。

當然，解釋反物質消失之謎同樣重要。如果不是有這些機制的存在，那麼今天的宇宙根本不會形成。當初如果所有的物質和反物質都湮滅了，今天的宇宙就是充滿了能量而沒有穩定物質的宇宙，又哪裡會有人類呢？