揭秘反物质

第二节　揭秘反物质

一、制成武器威力非凡

2009年，欧洲粒子物理研究所利用大型强子对撞机生成了反物质，而若能用这种物质制成武器，将具有非凡的破坏力。

虽然科幻电影中的反物质是虚构的，但是这种物质本身并不是虚构的。我们在宇宙射线里就能看到它的迹象，科学家通过在世界各地的粒子加速器里进行高能撞击，就能制成这种物质。医院采用的正电子发射体层显像技术，也是利用能发射出反物质粒子的放射性分子成像的。

大型强子对撞机

（一）反物质在哪里

1998年，欧洲粒子物理研究所进行的实验显示，一种特殊粒子，即中性K介子时不时转变成反粒子，使物质和反物质之间失去平衡。

随后科学家利用加拿大和日本的粒子加速器进行试验，结果在2001年发现了类似的现象，不过这次他们在更重的中性K介子同位素B介子之间发现了更加不均衡的现象。

科学家解释说，在宇宙形成后的数秒里，物质和反物质相互消灭了对方，但湮灭并不充分：物质和反物质在相互消灭对方的过程中设法逃逸出来。反物质可能就隐藏在宇宙的镜像区，那里可能存在反恒星、反星系，甚至是反生命。

（二）如何制造反物质

欧洲粒子物理研究所的两个实验ATRAP和ALPHA正试图解决这道难题。实验的目标是制造数量足够多、长度足够长的反氢，用以对其释放的光谱同正常氢释放的光谱进行对比。即便是两种光谱之间最轻微的差异也会改变标准模型。反氢可能是结构最为简单的反原子，是反质子和正电子结合产生的。

实验要求在几乎完美的真空状态下进行，因为即便遭遇一丁点空气也会造成反物质瞬间灰飞烟灭。科学家还必须找到捕获反物质的途径：并非在常规容器中，而是利用电场和磁场。ATRAP及ATHENA（ALPHA实验的“先驱”）在2002年成功隔离反氢，将来自粒子加速器的反质子同来自磁捕集器钠放射性源的正电子结合在一起。不幸的是，这种成功稍纵即逝：磁捕集器仅仅对反质子和正电子这样的带电粒子起作用，但反氢不带电，所以，它可以从重重包围中脱身。

ATRAP和ALPHA实验目前仍在解决这个问题。捕获反氢原子是当前科学的尖端领域，是一个挑战。

（三）重力对反物质有何影响

科学家认为，重力对所有物质的作用方式相同。但对反物质又如何呢？欧洲粒子物理研究所实施的AEGIS实验的目的就是寻找这个问题的答案。重力是一种相对微弱的力量，所以，AEGIS实验将利用不带电的粒子，以避免电磁力湮没重力效应。AEGIS实验首先创建高度不稳定的一对负电子和正电子，即电子偶素（一个负电子和一个正电子组成的类原子系统），接着用激光器激活它们避免其过快湮灭。成群结队的反质子会将一对对电子偶素撕裂，“盗取”它们的正电子用以创建不带电的反氢原子。

这些水平穿过两组裂口的反原子脉冲会在探测器屏幕上产生精致的冲击图案和阴影。通过观测这个图案位置的变化，可以测算反物质承受重力的大小和方位。

倘若重力确实对反物质产生不同的影响，科学家不仅可以借此了解到有关反物质的一些谜团，还能对现代物理学的基础理论有所发展。

（四）能否制造反世界

眼下，物理学家在反氢问题上面临重重困难。我们能否期待他们制造出反氦，接着经由反碳推理出有机反分子以及整个元素反周期表吗？问题是，每个反原子每次必须建立在一个亚原子的反粒子之上。例如，如果希望制造反氘——像反氢一样，但增加了反中子——首先必须生成反中子。反中子是不带电的，令其不可能以常规方式与电磁场相互作用。所以，必须生成大量反中子，并希望在制造的大约百万个反中子当中，碰巧有一个出现在合适的位置，最终生成反氘原子。

尽管迄今没人破解这道难题，但欧洲粒子物理研究所的实验正在使用一条捷径，至少可以制造反氢以外的物质。ASACUSA实验已经制造出“反质子氦”的原子，在实验中，一个绕氦核轨道运转的电子被反质子所取代。通过研究这种混合物质—反物质原子释放的光谱，研究人员可以极为精确地测算出反质子的电特性和磁特性，同时还能同常规质子的电特性和磁特性进行对比。

（五）能否造出反物质炸弹

反物质是一种致命武器，威力强大，不可阻挡。有人提出，人类可能有朝一日利用反物质的破坏力去摧毁整个世界，这也是好莱坞科幻大片《天使与魔鬼》的情节主线。在影片中，仅仅含有0．25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去。

但科学家有充分理由相信上述一幕绝不会上演。即使你将欧洲粒子物理研究所在过去30多年反物理实验中生成的所有反物质累积起来，并将它在你指尖爆炸，除了像点燃一根火柴以外，不会造成其他任何危险。

有人希望将反物质作为一种清洁、绿色能源进行开发。如果大自然在过去150亿年间给我们生成足够多的反物质，也许存在这种可能性。问题是，我们每次只能用它们造成一个反原子，这种办法消耗的能量将远远超过我们从中获得的能量——前者可能是后者的10亿倍。

然而，这并不表示我们不能以各种新途径利用反物质。2007年，美国加利福尼亚大学河滨分校的两位物理学家制造出了由至少一个电子偶素原子构成的第一个分子。电子偶素原子很快湮灭变成高能伽马射线，所以，如果将大量电子偶素原子结合，也许这能够令其湮灭，同时释放出光线，造出巨大的高能“伽马射线湮没激光器”，可被用于对小到原子核这样的物体拍照，或引发核反应堆中的核聚变。

二、实验室制造出千亿个反物质粒子

2009年，科学家用激光照射一个图钉头大小的黄金样本，制造出超过千亿个反物质粒子。这些反物质，又名“正电子”，是从激光照射处以锥形等离子体的形式喷射而出的。

这一方法使科学家们可以在一间小小的实验室里就制造出大量的正电子，开启了反物质研究的新纪元，其中包括物理学中对种种天体物理学现象的研究，如黑洞和宇宙伽马射线爆发等。反物质的研究还会揭示在宇宙形成时的创世大爆炸里反物质能够幸存下来的原因。

此项实验的科学家表示，应用低脉冲、高强度激光照射只有1毫米大小的目标金子，获得了比其他研究者多得多的反物质，证据显示正是由于采用了低脉冲激光，从而生成了巨大数量的正电子。

在实验中，通过直接将激光照射到目标黄金上，使电子通过电离作用加速分裂；在这一过程中，电子与黄金的原子核相互作用，以催化剂的身份实现正电子的生成。

科学家在进行反物质实验

多年以来，物理学家们已经在理论上明确了反物质，只是直到1932年才经科学实验证实了它的存在。高能量的宇宙射线作用于地球的大气层，随之只喷射出极少量的反物质；后来，物理学家们学会用传统的粒子加速器生成反物质。同样，反物质也可以生成于其他有高能量天体活动的地方，如银河系或其他星系的中心。当正电子与邻近物质相接触，随之被破坏时，会由此产生伽马射线，通过检测伽马射线，即可发现反物质的存在。

三、地球雷暴闪电中发现反物质迹象

美国费米伽马射线太空望远镜在地球上空的闪电中意外地发现了反物质存在的迹象。据介绍，费米伽马射线太空望远镜主要用来探测太阳系外宇宙空间的伽马射线。该望远镜于2008年6月升空共探测到数十次与地球表面雷暴有关的伽马射线闪电。

地球雷暴闪电中发现反物质迹象

望远镜所探测到的伽马射线闪电，有的是发生在雷雨开始之前，有的是发生于雷雨的过程中，还有的是发生于雷雨刚刚结束之时。在其中几次闪电中，望远镜探测到一种带有特别能量的伽马射线，而这种能量只能由过量正电子在能量衰减过程中所产生。过量正电子的发现正是反物质存在的重要证据。

科学家认为，与闪电有关的某个磁场的方向发生了意外翻转才会产生这种现象。科学家们曾试图通过模型来分析和模拟磁场为什么会发生翻转以及如何翻转，但是到目前为止他们尚未找到答案。

四、地下1.6千米深处发现奇特反物质粒子

2010年，意大利国家原子物理研究所的科学家表示，他们已经在地球内部很深的地方发现奇怪的反物质粒子。这种粒子被称作反中微子，是中微子的反物质粒子。

意大利科学家是在一个尼龙球探测器里发现反中微子的，这个探测器包含1000吨液态碳氢化合物。这个尼龙球被放置在一个更大的不锈钢球里，安装在不锈钢球里的一排排超灵敏光电探测器的顶部都指向尼龙球内部。这两个球状物被安装在另一个直径约13．7米的钢球里，最外层这个钢球里盛有2400吨纯度很高的水。

整个装置被埋在地下1.6千米深处。所有这些都是为了确保该试验只发现中微子和反中微子。这些粒子极难被发现，因为它们几乎可以穿透任何东西，而不与其发生反应。

科学家认为，反中微子是由地壳和地幔里的铀、钍和钾的放射性衰变形成的。研究人员希望通过研究反中微子，了解衰变元素如何在地表下积聚热量，以及它是如何对地幔里的对流产生影响的。

科学家推断，在地幔对流过程中，热驱使炙热的岩石从地球内部上升到地表。它导致板块发生变动、大陆发生漂移、海床不断扩大，引起火山爆发和地震。这项研究说明，地球内部的辐射能可能是地幔的一个重要热源。