科学家们热衷于探索神秘事物，越神秘热情越高。在科学领域有许多重大的未解之谜，但当你想要解决它的时候，你很难不反问一句“为什么这里会有东西，而不是什么都没有?”
这似乎是一个哲学问题，但却是一个非常适合科学探究的问题。更具体地说，“为什么宇宙要由不同的物质构成，然后诞生人类等生命，进而能让我们去问这个问题?”在日本进行研究的科学家上个月宣布了一项测量方法，直接解决了一个最吸引人的问题。他们的测量结果似乎与当前理论中最简单的预期不一致，很可能指向这个永恒问题的答案。
他们的测量似乎表明，对于一组特定的亚原子粒子，物质和反物质的作用是不同的。
物质与反物质
利用位于日本东海的J-PARC加速器，科学家们发射了一束幽灵般的亚原子粒子，称为中微子和反物质粒子，穿过地球到达同样位于日本神冈的超级神冈实验。这个实验被称为T2K (Tokai to Kamiokande)，旨在确定为什么我们的宇宙是由物质构成的。中微子所表现出的一种特殊行为，即中微子振荡，可能会对这个非常棘手的问题有所帮助。
问为什么宇宙是由物质构成的听起来像是一个奇怪的问题，但科学家对此感到惊讶是有充分理由的。这是因为，除了知道物质的存在，科学家们还知道反物质。
1928年，英国物理学家保罗·狄拉克提出了反物质的存在，反物质是物质的一个对立的兄弟。将等量的物质和反物质结合在一起，它们会相互湮灭，从而释放出巨大的能量。而且，因为物理原理通常反过来也能工作得很好，如果你有大量的能量，它可以转化成完全相等数量的物质和反物质。美国的卡尔·安德森于1932年发现了反物质，研究人员花了近一个世纪的时间来研究它的性质。
然而，这个难题的关键在于“完全等量”这句话。在大爆炸之后的短暂瞬间，宇宙充满了能量。当它膨胀和冷却时，这些能量应该已经转化为等量的物质和反物质亚原子粒子，这在今天应该是可以观测到的。然而，我们的宇宙基本上完全由物质组成，反物质却没见到。为什么会这样呢?
通过计算宇宙中原子的数量，并将其与我们看到的能量的量进行比较，科学家们认为“完全相等”并不完全正确。不知何故，当宇宙诞生大约十分之一万亿分之一秒的时候，自然法则在物质的方向上略微倾斜。每30亿个反物质粒子，就有3000亿个物质粒子。30亿个物质粒子和30亿个反物质粒子结合在一起，然后湮灭成能量，剩下的微小物质过剩，构成了我们今天看到的宇宙。
自从近一个世纪前这个谜团被解开以来，研究人员就一直在研究物质和反物质，看看他们是否能在亚原子粒子中找到可以解释物质过剩的行为。他们相信物质和反物质的数量是相等的，但是他们也观察到一种叫做夸克的亚原子粒子表现出对物质比反物质稍微有利的行为。这种特殊的测量是很微妙的，涉及到一种叫做K介子的粒子，它可以从物质转化为反物质，然后再回来。但在物质转化为反物质的过程中，与反物质的转化相比，存在着细微的差别。这一现象是意料之外的，它的发现导致了1980年的诺贝尔奖，但其影响的程度不足以解释为什么物质在我们的宇宙中占主导地位。
可怕的光束
因此，科学家们将注意力转向了中微子，以观察它们的行为是否能解释过量物质。中微子是亚原子世界的幽灵。它们只通过弱核力相互作用，几乎不相互作用就能通过物质。为了给人一种尺度感，中微子通常是在核反应中产生的，而周围最大的核反应堆就是太阳。要想让自己免受一半的太阳中微子的伤害，需要在大约5光年的深度处放置大量的固体铅。中微子真的不怎么相互作用。
从1998年到2001年，一系列的实验（一个使用超级神冈探测器，另一个使用安大略省萨德伯里的SNO探测器）明确证明了中微子也表现出另一个令人惊讶的行为，即它们会改变自己的身份。
物理学家知道三种不同类型的中微子，每一种都与一种独特的亚原子兄弟相关联，分别是电子、μ介子和τ子。电子是产生电的原因介子和粒子很像电子，但更重，不稳定。
这三种中微子被称为电子中微子、μ中微子和τ中微子，它们可以“变形”成其他类型的中微子，然后再回来，这种行为被称为中微子振荡。
中微子振荡是一种独特的量子现象，但它大致类似于一碗香草冰淇淋，当你去找一把勺子后，你回来发现碗里一半是香草，一半是巧克力。中微子改变了它们的身份，从一种完全不同的类型，变成一种混合类型，变成一种完全不同的类型，然后又回到原来的类型。
反中微子振荡
中微子是物质粒子，但反物质中微子也存在，称为反中微子。这就引出了一个非常重要的问题。中微子会振荡，但反中微子也会振荡吗它们的振荡方式和中微子完全一样吗？第一个问题的答案是肯定的，而第二个问题的答案是未知的。
让我们更全面地考虑这一点，但以一种简化的方式：假设只有两种中微子类型——介子和电子。进一步假设你有一束纯μ介子类型的中微子。中微子以特定的速度振荡，由于它们的运动速度接近光速，所以它们的振荡是它们产生的距离的函数。因此，一束纯μ介子中微子在一定距离内看起来就像是μ介子和电子类型的混合物，然后在另一距离内又变成纯电子类型，然后又回到纯μ介子。反物质中微子也做同样的事情。
然而，如果物质和反物质中微子以略微不同的速率振荡，你可能会认为，如果你离产生纯介子中微子或介子反中微子的点有固定的距离，那么在中微子的情况下，你会看到μ介子和电子中微子的混合，但是在反物质中微子的情况下，你会看到反物质μ介子和电子中微子的不同混合。实际情况是复杂的，因为有三种中微子和振荡取决于光束能量，但这些是大的想法。
中微子和反中微子对不同振荡频率的观测将是理解宇宙是由物质构成这一事实的重要一步。这并不是全部，因为其他的新现象也必须成立，但是物质和反物质中微子之间的区别对于解释为什么宇宙中有更多的物质是必要的。
在目前描述中微子相互作用的主流理论中，有一个变量对中微子和反中微子振荡不同的可能性非常敏感。如果这个变量为零，两种粒子以相同的速率振荡；如果这个变量不是零，这两种粒子的振荡就不同。
当T2K测量这个变量时，他们发现这与中微子和反中微子振荡相同的假设是不一致的。从技术上讲，他们确定了这个变量可能的取值范围。有95%的几率这个变量的真实值在这个范围内，只有5%的几率真正的变量在这个范围之外。“没有区别”的假设超出了95%的范围。
更简单地说，目前的测量结果表明中微子和反物质中微子振荡的方式不同，尽管这种确定性并没有上升到做出明确声明的程度。事实上，批评人士指出，应该非常非常怀疑地看待具有这种统计重要性的测量方法。但这肯定是一个极具煽动性的初步结果，世界科学界对看到改进和更精确的研究非常感兴趣。
T2K实验将继续记录更多的数据，希望能做出最终的测量，但这并不是唯一的游戏。在芝加哥郊外的费米实验室，一项名为NOVA的类似实验正在向明尼苏达州北部发射中微子和反物质中微子，希望能击败T2K。而且，费米实验室更着眼于未来，正在努力进行它的旗舰实验——沙丘(深地下中微子实验)，该实验将具有更好的能力来研究这一重要现象。
虽然T2K的结果不是确定的，谨慎是有保证的，但它肯定是诱人的。鉴于为什么我们的宇宙似乎没有明显的反物质这一问题的严重性，世界科学界将热切地等待进一步的更新。
本文最初发表在Live Science上。
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