斯坦福大学校园里有一台时间机器，它昼夜不停地运转。它不会将任何人抛向过去或未来，但它做的事情几乎同样大胆：它重现了大爆炸后不久发生的事件，当时宇宙中充满的一些纯能量变成了现在存在的所有物质。在一个18英尺高、1200吨重的粒子探测器内部，以接近光速移动的物质和反物质每秒碰撞数十亿次，破碎成大约140亿年未曾存在的亚原子碎片。“我们有胆量相信我们可以创造一个与时间之初非常相似的场景，”斯坦福直线加速器中心主任、物理学家乔纳森·多尔凡（Jonathan Dorfan）说。“我们正在努力理解宇宙诞生过程中一个能量极高的部分发生了什么——而且我们做得相当不错。”
图片来源：劳伦斯伯克利国家实验室
斯坦福直线加速器中心的BaBar粒子探测器是电气工程的奇迹。在一扇巨大的铁门下（为维护而打开），是一个超导磁体和一系列复杂的电子传感器，它们每秒跟踪数十亿次物质与反物质粒子之间的爆炸性碰撞。
四年来，多尔凡和一支由来自三大洲的600名物理学家组成的小团队，一直在使用世界上最大、最复杂的两台机器——两英里长的斯坦福直线加速器和BaBar粒子探测器——来解决一个终极的宇宙奥秘：宇宙中为什么会有物质？
听起来可能很奇怪，但物理定律表明，大爆炸后立即突然产生的所有物质，都应该被等量的反物质所湮灭。反物质是正常物质的一种奇怪且略微扭曲的镜像。例如，带负电荷的电子也有一个双胞胎，称为正电子，带正电荷。每当一个正常粒子和一个反粒子相遇时，它们就会相互湮灭，将所有质量转化为能量，这是爱因斯坦著名定律 E = mc^2 的一个焰火般的演示。
这正是科学界最大困境之一的根源。物理学家认为，当宇宙只有10^-33秒大时（那是一秒的万亿分之一的万亿分之一的万亿分之一），温度已从无法想象的高温降至仅仅18万亿亿度。这足以让第一批物质和反物质粒子从纯能量中凝结出来。但为了平衡宇宙的能量收支——并避免违反最基本的物理定律——物质和反物质应该以完全相同的数量产生。然后它们应该迅速相互抵消。然而，我们却在这里。不知何故，一些物质设法幸存了下来。
为了弄明白原因，多尔凡和他的同事们日以继夜地制造反物质粒子，并将其与普通物质对撞。研究人员一次又一次地记录到，反粒子和正常粒子的衰变速率不同。然而，这种差异太小，不足以解释宇宙中现有的物质数量。
因此，一些粒子物理学家开始猜测，解决这个难题的关键可能一直就在他们眼前。如果他们是正确的，那么潜在的解决方案正以难以捉摸、幽灵般的粒子形式，每秒数十亿次地穿过他们的身体，这些粒子的怪异程度堪比反物质：中微子。一个令人惊讶的理论认为，宇宙中的所有物质可能最初都是中微子，这可不是一个小小的讽刺，因为直到最近，人们还认为中微子完全没有质量，而且像照亮这一页的光一样，是无形的。
如果你是那种相信自然平衡，或者相信和谐、理性宇宙的人，请再三思量。宇宙正严重失衡。物理学家们意识到事态失衡，因为他们今天可以字面上数出宇宙中光子（能量粒子）的数量，并将其与物质粒子的总数进行比较。光子的数量是物质的十亿倍。如果大爆炸后物质和反物质完全相互湮灭，那么今天的宇宙将只包含光子，因为每次反物质和物质自毁时，它们的总质量都会转化为一个小的能量单位，即一个单一的光子。
“既然我们知道光子与普通物质相比有多少，这就告诉我们，大多数物质和反物质确实湮灭了，只剩下极少量物质，”加州理工学院物理学家、BaBar团队创始主任大卫·希特林（David Hitlin）说。但为什么自然会偏爱物质而不是反物质呢？
在物理学家了解大爆炸之前，没有人花太多时间担心这种宇宙不平衡。反物质仅仅被看作永恒宇宙中的奇异物质。著名的英国物理学家保罗·狄拉克于1928年首次提出反物质的存在，四年后，加州理工学院的研究人员探测到了第一个有记载的反粒子——由宇宙射线撞击大气层产生的正电子。此后，反物质在宇宙射线、粒子加速器以及元素放射性衰变中多次被观测到，但通常是作为孤立的、短寿命的粒子，如正电子或反质子，而不是作为完整的原子。反物质甚至被用作正电子发射断层扫描（PET）中的医学诊断工具，该技术利用正电子来寻找肿瘤。尽管没有自然存在的反物质原子，但1995年，日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家通过将正电子与反质子连接起来，拼凑出了一些反氢原子，此后又制造了数万个。反物质的稀有性和生产成本使其成为地球上最昂贵的物质，据估计，每盎司1.75万亿美元。
尽管地球上的反物质稀缺，狄拉克和其他早期理论家曾推测可能存在反行星、反恒星，甚至一个反宇宙。但天体物理学家们徒劳地寻找反物质星系的迹象，这些星系会以一种非常戏剧性的方式展现其存在：例如，任何物质撞击反物质恒星都会产生巨大的能量爆发。“我们知道，如果宇宙中物质与反物质之间存在一个界面，那么在这个界面上就会发生湮灭，”希特林说。“天文学家可以寻找这种迹象，但他们没有看到。观测的极限大约是我们能看到的最远距离——大约140亿光年。我们什么也没看到。你不能说反物质躲在一个角落里。在我们能看到的大部分宇宙中，没有反物质。”
理论家最初认为，物质和反物质是精确的镜像，具有相同的性质和行为。用物理学的术语来说，物质和反物质应该遵守一个称为电荷-宇称对称的规则，这只是一种说法，即物理定律应该公平公正。但事实证明，宇宙并不公平。1964年，普林斯顿大学的两位物理学家瓦尔·菲奇（Val Fitch）和詹姆斯·克罗宁（James Cronin）发现，一种名为K介子的粒子违反了所有粒子在自然法则下都相等的假设，这是一个重大的惊喜——值得获得诺贝尔奖。K介子寿命很短，会迅速衰变为其他粒子。如果宇宙不偏不倚，K介子和反K介子应该以完全相同的速率，衰变为完全相同类型的粒子。但它们没有。这种差异很小——每500次衰变中只发生一次——即使按照粒子物理学深奥的标准来看，也显得晦涩难懂。但它确实存在。自然确实对反物质和物质有所区分。物理学家们完全困惑了。“我们希望，”克罗宁当时说，“在某个时代，也许是遥远的未来，这个来自自然的神秘信息将被破译。”
图片来源：斯坦福直线加速器中心
反电子束，即正电子，以接近光速的速度在斯坦福直线加速器的上部管道中飞驰，而电子则以相同的速度在下部管道中移动。强大的磁铁（跨越管道的蓝色和黄色结构）使光束聚焦。
从某种意义上说，克罗宁和菲奇找到了一个尚未被提出的问题的部分答案，因为他们的发现比物理学家们意识到宇宙并非永恒、而是始于大爆炸早了一年。持不同政见的苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫是第一个认识到大爆炸实际上给物理学家们带来了危机的人：在一个物质和反物质都应该几乎瞬间消失的宇宙中，他们如何解释反物质的缺失和物质的存在？
萨哈罗夫提出了一些在早期宇宙中确保物质生存所必需的条件。其中一个条件是反物质和物质必须在某些基本方面有所不同。指出这一点，萨哈罗夫远远超出了他的时代。当大多数物理学家仍在努力接受大爆炸的观点时，他已经指出了该理论的一个主要弱点，并暗示了一个解决方案。
“那是一个相当惊人的洞察力，”普林斯顿大学物理学家、BaBar团队成员斯图尔特·史密斯（Stewart Smith）说。“那是在早期——1967年——他当时还在做很多其他事情，比如躲避克格勃。”
萨哈罗夫的问题在三十多年后仍未得到解答——直到物理学家开始分析BaBar粒子探测器中物质与反物质碰撞产生的碎片。
大卫·希特林痴迷于巴巴尔（Babar），这是法国作家让·德·布伦霍夫（Jean de Brunhoff）在20世纪30年代创作的儿童书系列中的大象。他收集了几本巴巴尔系列的第一版书籍，以及无数相关的文物，包括挂在他办公室墙上的巴巴尔钟。他最珍贵的收藏是德·布伦霍夫结婚契约的原件。“这是手写的，15页，”他说，一边小心翼翼地从办公室抽屉里取出这份文件。“不知怎么的，一份复印件到了跳蚤市场，我偶然找到了它。”
希特林对巴巴尔的执着始于1987年，当时他、乔纳森·多尔凡和加州大学伯克利分校的物理学家皮埃尔·奥德农（Pierre Oddone）决定尝试建造一个与众不同的粒子加速器。他们需要一台独特的机器，因为他们想研究B介子。B介子与反B介子配对，物理学家在他们的方程中用一个B上面加一横来表示，他们读作“B-bar”。
B介子是菲奇和克罗宁研究的K介子的重亲戚。和K介子一样，它在粒子加速器中寿命很短。但其更大的质量使其成为一个诱人的研究对象。重粒子可以比轻粒子以更多的方式自发衰变为物质和反物质碎片，这增加了发现意想不到事物的可能性。希特林、多尔凡和奥德农希望分析B介子和反B介子衰变速率的差异，这可能揭示物质是如何在大爆炸后的熊熊大火中幸存下来的。但首先，他们必须弄清楚如何精确测量B介子粒子的短寿命路径，这些粒子平均衰变距离约为千分之一英寸（相比之下，菲奇和克罗宁研究的K介子行程超过100英尺）。
在大多数大型加速器中，比如芝加哥附近的费米实验室或欧洲核子研究中心（CERN）的加速器，两束能量相等的粒子束会在长长的环形管道中以相反方向飞驰，然后相撞。由于两束碰撞的粒子能量相等，B介子在碰撞后不会移动太远。这就像两辆大众汽车迎头相撞，然后完全停止。在传统的加速器中，B介子的行为就像那些大众汽车，物理学家们在它们衰变之前就没有机会测量它们的任何特性。
奥多内构想了一个使用两束能量不等的粒子束的加速器——具体来说，一束电子束的能量是来自相反方向的正电子束的三倍。这种碰撞更像是18轮大卡车撞向大众汽车。当两束粒子束撞在一起时，产生的碎片——包括一些B介子和反B介子——会继续以电子束的方向以大约光速一半的速度飞驰。这使得研究团队可以利用爱因斯坦在1905年阐明的一个现象。当物体以接近光速的速度运动时，它们的时间会变慢。这意味着B介子在衰变前寿命更长——大约万亿分之一秒——移动的距离是它们在其他加速器中的12倍多。
最终的设计要求建造两个独立的加速器环，每个周长略超过一英里，上下叠置。这些环连接在两英里长的斯坦福直线加速器的末端。加速器将电子泵入一条四英寸宽、两英里长的铜管。在大约一英里长的行程后，一些电子被分流到另一根管道中，在那里它们撞击一块三英尺宽的钨块。碰撞产生的能量产生了正电子，这些正电子被导回直线加速器，同时产生了更多的电子。在直线加速器末端，磁铁首先将正电子和电子分别导入独立的环中，然后将它们汇聚在一起，在BaBar探测器内部进行碰撞。
“我们首次提出时，没有人相信我们能建造这台机器，”多尔凡说。“我们费了九牛二虎之力才说服大家。”多尔凡、希特林和奥德农不得不写下数千页描述他们的计划，国会最终才在1993年批准了它。加速器用了五年时间才建成。1999年，它终于开始将正电子和电子碰撞在一起，今天它每天产生近100万个B介子和反B介子。加速器昼夜不停的持续生产如此不间断，以至于物理学家称之为B工厂。
图片来源：斯坦福直线加速器中心
在BaBar的建造过程中，物理学家杰拉德·博诺（Gerard Bonneaud）爬上梯子检查外部电缆，而项目创始主任大卫·希特林（David Hitlin）则检查内部腔室。“其精妙之处在于建造一个允许你做以前从未做过的事情，但又不会太过出格而陷入麻烦的装置，”希特林说。
实验的核心是巨大的探测器，它由三英尺厚的混凝土墙体屏蔽，作为辐射防护罩。该系统设定为，如果加速器环内的高能粒子束偏离轨道，就会自动关闭。“如果失控，粒子束很容易就能在加速器上烧出一个洞，”希特林说。“那时它就像一把喷灯一样失去控制。这些粒子束的强度是以前任何加速器中使用过的10到20倍。”
探测器旨在追踪碰撞发生的位置、产生的粒子种类以及每个粒子行进的距离。它完美无缺地运行着。2001年夏天，BaBar研究人员在整理了约3000万次B介子和反B介子衰变后，宣布他们发现了物质和反物质衰变率存在差异的证据。现在，有了三年的数据支持，结果是明确无误的。问题是，测得的差异比解释宇宙中物质数量所需的差异小十亿倍。如果B介子和反B介子过程是自然界中唯一能够产生物质-反物质不平衡的过程，那么宇宙就不会完全空无一物，但它将非常稀疏。而地球这样行星存在的几率将暴增十亿倍。
“我不认为说现在的物质数量是现在的十亿分之一是太轻佻的说法，”史密斯说。“一个物质只有现在十亿分之一的宇宙将是一个非常不同的地方。”
鉴于BaBar研究团队所要完成任务的宏伟程度——理解万物的起源——他们尚未成功或许并不令人惊讶。这个结果既是一项技术上的壮举，也是一个令人不安的谜团。它与物理学家所称的标准模型完美契合，标准模型是一个包罗万象的理论，描述了所有已知的原子组成部分及其行为现象。标准模型经过无数次实验的检验，从未未能预测出物理学家会看到什么。因此，它与BaBar实验结果如此精确地吻合是一个重要的线索。但它向许多物理学家表明，尽管该理论显然是今天宇宙的极其准确的指南，但如果我们想理解大爆炸后最初几瞬间存在的极端条件，它将需要被修改。“我们现在已经足够了解，知道要解决这个问题，我们将不得不学习一些真正新的东西，”希特林说。
希特林并非夸大其词。如果BaBar的结果证明了传统智慧已被推向极限，那么最有希望的替代方案确实很奇怪。或许，如果不是中微子的行为，物质根本无法在宇宙的原始烟火中幸存下来，这些微小粒子曾被认为不过是些好奇之物。尽管科学家认为它们在宇宙中数量超过所有其他粒子，但中微子几乎无法探测（参见《难以阻挡的中微子》，《发现》杂志，2001年8月）。在1930年发现后的近70年里，它们一直被认为没有任何质量。但1998年，物理学家得出结论，中微子可能确实具有少量质量。他们还发现了一些证据，表明任何一个中微子的质量都可以实时改变，增加或减少。
如果中微子质量变化的理论得到证实，将进一步支持解决物质-反物质之谜的全新方案。这个理论被称为轻子发生（leptogenesis），其名称来源于中微子所属的轻子粒子家族。该理论的拥护者认为，在宇宙早期存在着一种极其重但又不稳定的中微子。甚至在BaBar的结果公布之前，荷兰乌得勒支大学的物理学家、1999年诺贝尔奖得主杰拉德·特·霍夫特（Gerard 't Hooft）就曾推测，在大爆炸后的极端条件下，中微子可能已经转变为质子和中子。
“在现在宇宙的温度下，发生这种事情的可能性基本为零，”以色列理工学院的理论物理学家尤瓦尔·格罗斯曼（Yuval Grossman）说，他正在斯坦福直线加速器中心进行学术休假。“但在早期宇宙的高温下，这种情况一直都在发生。”
如果重中微子在大爆炸期间确实产生了质子和中子，格罗斯曼和其他人认为，它们可能是自然界偏爱物质的来源。这个想法是，当重中微子衰变时，它们会产生比反中微子更多的中微子。然后，第二代中微子和反中微子会改变它们的质量，变成质子和反质子。但由于产生了比反中微子更多的中微子，这个过程就会产生比反质子更多的质子，从而导致时间之初物质和反物质之间致命的不平衡。“这极其具有猜测性，”希特林说。“目前没有实验证据，但这是一种你可以设计实验来验证的事情。然而，虽然我们在B介子上做实验已经很难了，但对中微子来说会更加困难。”
物理学家可能永远无法直接观测到重中微子。如果它们存在，预计它们的质量将比质子重15个数量级，产生它们所需的能量远远超出任何加速器所能达到的范围。但日本和欧洲的物理学家正在寻找中微子质量振荡的证据。一项雄心勃勃的新实验计划于明年在费米实验室开始，其中一束中微子将穿过450英里的地壳，射向明尼苏达州北部一个旧铁矿底部一个6000吨的探测器。物理学如此新颖，以至于没有人知道会发生什么。如果轻子生成理论被证明是正确的，那么我们宇宙中看到的一切，从星系到DNA，都源于曾被认为几乎不符合物质标准的粒子。
与此同时，希特林和多尔凡，他们各自将近20年的生命投入到BaBar反物质实验中，对未来的困难没有任何幻想。希特林坐在办公室里，流露出一种明显的困惑感。“我们问自己的问题是，‘现在怎么办？’这仍然是个谜，”他说。“解决这个问题需要一代人的时间。”
就多尔凡而言，他坚信反物质之谜的答案就在那里。那是因为无论时间之初发生了什么，它都留下了一个荒谬显而易见的线索。“最终，”他说，“我们在这里，这就是无可辩驳的证据。”
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