科學(xué)家首次捕捉到反物質(zhì) 恐成末日武器

摘要

反物質(zhì)，是反粒子概念的延伸，反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的，如同普通物質(zhì)是由普通粒子所構(gòu)成的。例如一顆反質(zhì)子和一顆反電子(正電子)能形成一個(gè)反氫原子，如同電子和質(zhì)子形成一般物質(zhì)的氫原子。此外，物質(zhì)與反物質(zhì)的結(jié)合，會如同粒子與反粒子結(jié)合一般，導(dǎo)致兩者湮滅，且因而釋放出高能光子或是其他能量較低的正反粒子對。正反物質(zhì)湮滅所造成的粒子，賦予的動能等同于原始正反物質(zhì)對的動能，加上原物質(zhì)靜止質(zhì)量與生成粒子靜質(zhì)量的差，后者通常占大部分。2010年11月17日，歐洲核子研究中心(CERN)科學(xué)家，在最新實(shí)驗(yàn)中首次成功捕獲反物質(zhì)。

反物質(zhì)-概述

1997年4月，美國天文學(xué)家宣布他們在宇宙中發(fā)現(xiàn)一個(gè)高達(dá)2940光年的“反物質(zhì)噴泉”。

反物質(zhì)就是由反粒子組成的物質(zhì)。所有的粒子都有反粒子，這些反粒子的特點(diǎn)是其質(zhì)量、壽命、自旋、同位旋與相應(yīng)的粒子相同，但電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)、奇異數(shù)等量子數(shù)與之相反。反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。由反原子構(gòu)成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。當(dāng)你照鏡子時(shí)，鏡中的那個(gè)你如果真的存在，并出現(xiàn)在你面前，會怎么樣呢?科學(xué)家們已經(jīng)考慮過這個(gè)問題，他們把鏡中那個(gè)你叫做“反你”?？茖W(xué)家想象很遠(yuǎn)的地方有個(gè)和我們的世界很像的世界，它將是一個(gè)由反恒星、反房子、反食物等所有的反物質(zhì)構(gòu)成的反世界。

反物質(zhì)正是一般物質(zhì)的對立面，而一般物質(zhì)就是構(gòu)成宇宙的主要部分。例如，氫原子由一個(gè)帶負(fù)電的電子和一個(gè)帶正電的質(zhì)子構(gòu)成，反氫原子則與它正好相反，由一個(gè)帶正電的正電子和一個(gè)帶負(fù)電的反質(zhì)子構(gòu)成。物質(zhì)和反物質(zhì)相遇后會湮滅，釋放出大量能量。反物質(zhì)無法在自然界找到，除非是在稍縱即逝的少量存在(例如因放射衰變或宇宙射線等現(xiàn)象)。這是由于反物質(zhì)若非存在于像物理實(shí)驗(yàn)室的人工環(huán)境下，則無可避免地隨即與自然界的物質(zhì)發(fā)生碰觸并湮滅。反粒子和一些穩(wěn)定的反物質(zhì)(例如反氫)可以人工制造出極少量，但卻不足以達(dá)到可對這些物質(zhì)驗(yàn)證其理論性的程度。

在科學(xué)與科幻領(lǐng)域，都有很大的疑問關(guān)于為何所見的宇宙很明顯地幾乎充滿了物質(zhì)、是否有其他地方幾乎充滿了反物質(zhì)，以及是否能夠駕馭反物質(zhì)，但在現(xiàn)今可見的宇宙范圍中，明顯的正反物質(zhì)不對稱性成了物理之謎中的最大難題之一。許多可能的物理過程都是在探究重子時(shí)所發(fā)現(xiàn)。

反物質(zhì)-歷史

反物質(zhì)概念是英國物理學(xué)家保羅·狄拉克最早提出的。他在20世紀(jì)30年代預(yù)言，每一種離子鍍應(yīng)該有一個(gè)與之相對的反粒子，例如反電子，其質(zhì)量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反。

1927年12月，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克提出了電子的相對論方程式，即狄拉克方程。有趣的是，等式中發(fā)現(xiàn)除了一般正能量之外的負(fù)能量結(jié)果。這顯示出一個(gè)問題，當(dāng)電子趨向于朝著最低可能的能階躍遷時(shí);負(fù)無限大的能量是毫無意義的。但為了要彌補(bǔ)這條件，狄拉克提出真空狀態(tài)中是充滿了負(fù)能量電子的“?！保Q作狄拉克之海。任何真實(shí)的電子因此會填補(bǔ)這些海中具有正能量的部分。衍伸這個(gè)想法，狄拉克發(fā)現(xiàn)海中的這些“洞”則具有正電荷。起初他認(rèn)為這是質(zhì)子，但Hermann Weyl指出這些洞應(yīng)該是具有和電子相同的質(zhì)量。

1932年美國物理學(xué)家卡爾·安德森在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了正電子的存在。在此期間，反物質(zhì)有時(shí)也常被稱作“反地物質(zhì)”。反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。反物質(zhì)和物質(zhì)一旦相遇，就相互吸引、碰撞而100%轉(zhuǎn)化為光并釋放出的巨大的能量，這個(gè)過程叫做湮滅。湮滅過程會釋放出正、反物質(zhì)中蘊(yùn)涵的所有靜質(zhì)量能，根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式──E=mc2，一種在科學(xué)界受到普遍認(rèn)同的理論認(rèn)為，宇宙大爆炸早期曾產(chǎn)生了數(shù)量相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)和反物質(zhì)，隨后發(fā)生的物質(zhì)和反物質(zhì)的湮滅消耗掉了絕大部分的正、反物質(zhì)，遺留下的少部分正物質(zhì)構(gòu)成了現(xiàn)如今的物質(zhì)世界。

理論上宇宙大爆炸時(shí)所產(chǎn)生的粒子與反粒子應(yīng)該數(shù)量相同，但是為什么現(xiàn)今所遺留下來的絕大多數(shù)都是正粒子，這即所謂的“正反物質(zhì)對稱性破壞”(對稱破缺)，雖然在幾個(gè)粒子對撞試驗(yàn)中，都發(fā)現(xiàn)了正粒子與反粒子的衰變略有不同，及所謂的電荷宇稱不守恒(CP破壞)，但在數(shù)量上仍不足以解釋為何現(xiàn)今反物質(zhì)消失的問題，這在粒子物理學(xué)上仍是一大未解決的問題。盡管在人們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中制造出了為數(shù)眾多的反原子，然而目前在自然界中尚沒有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為即使自然界中存在反物質(zhì)，它也很快會和正物質(zhì)發(fā)生湮滅。

反物質(zhì)-爆發(fā)能量

1999年7月24日的太陽環(huán)狀噴射產(chǎn)生了反物質(zhì)

科學(xué)家認(rèn)為，制造出大量反氫原子，有助于驗(yàn)證CPT守恒假設(shè)的正確性和宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的普適性。如果發(fā)現(xiàn)反氫原子與氫原子在物理規(guī)律上并不完全對等，將給物理學(xué)和宇宙學(xué)的一些基礎(chǔ)問題帶來非常重要的新啟發(fā)。例如宇宙大爆炸理論認(rèn)為，宇宙誕生時(shí)，從虛無中產(chǎn)生了相等數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但人們觀察到的宇宙中，物質(zhì)顯然占絕對的主導(dǎo)地位。對反氫原子的研究，可能有助于解開這個(gè)疑點(diǎn)。

反物質(zhì)是正常物質(zhì)的反狀態(tài)。當(dāng)正反物質(zhì)相遇時(shí)，雙方就會相互湮滅抵消，發(fā)生巨大爆炸，并產(chǎn)生巨大能量。能量釋放率要遠(yuǎn)高于氫彈爆炸。

日美研究小組曾在加拿大用氣球進(jìn)行觀測，捕捉反物質(zhì)天體釋放出的反粒子，尋找反物質(zhì)天體如反星系存在的證據(jù)。該地區(qū)受地球磁場和大氣影響很小，但為了不讓氣球飛跑，必須當(dāng)天回收。而在南極上空，氣球可持續(xù)飛行兩周，觀測數(shù)據(jù)能大幅度增加。目前，人們發(fā)現(xiàn)和制造的反物質(zhì)粒子雖然不多，但正電子作為反物質(zhì)的一種形式美已經(jīng)有了許多實(shí)際用途，例如，正電子發(fā)射X射線層析照相術(shù)(PET)，醫(yī)生利用它對人體進(jìn)行掃描，不僅能得出病人軟組織的詳細(xì)圖像，而且能夠觀察人們體內(nèi)的化學(xué)過程以及在進(jìn)行認(rèn)識活動時(shí)大腦各部分消耗“燃料”的速度。

反物質(zhì)-捕捉成功

美國宇航局反物質(zhì)飛船概念圖

英國《自然》雜志網(wǎng)站2010年17日發(fā)布報(bào)告，歐洲核子研究中心(CERN)的科學(xué)家成功制造出多個(gè)反氫原子，并利用磁場使其存在了“較長時(shí)間”。這是科學(xué)家首次成功“抓住”反物質(zhì)原子。

存在時(shí)間是關(guān)鍵

早在1995年，歐洲核子研究中心就首次制造出了9個(gè)反氫原子。但反氫原子只要與周圍環(huán)境中的正氫原子相遇就會湮滅，因此實(shí)驗(yàn)室中造出來的反氫原子稍縱即逝，科學(xué)家們根本無從研究它的真面目。2002年，歐洲核子研究中心的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，反氫原子可以大量制造，但如何讓它們存在時(shí)間長一點(diǎn)仍是難題。

因此，這次實(shí)驗(yàn)成果的突破就在于，人工制造的38個(gè)反氫原子存在了大約0.17秒。這個(gè)時(shí)間在普通人看來也許仍然非常短，但對于科學(xué)家來說，已經(jīng)比先前有了實(shí)質(zhì)性的延長，足夠他們進(jìn)行較為深入的觀察和研究。

利用磁場作“陷阱”

歐洲核子研究中心介紹說，這次之所以能夠?qū)⒎礆湓硬东@長達(dá)0.17秒，要?dú)w功于一種特殊的磁場。在實(shí)驗(yàn)室中，反氫原子是在真空環(huán)境里制造出來的，正常情況下瞬間就會與正物質(zhì)發(fā)生湮滅并消失。而這個(gè)強(qiáng)大而復(fù)雜的磁場會像陷阱一樣“拖延時(shí)間”，使反氫原子與正物質(zhì)的接觸稍作延緩。

談及這種看不見、摸不著的捕捉方式，丹麥奧胡斯大學(xué)教授杰夫·杭斯特告訴英國廣播公司記者，反氫原子具有“少許磁性”，“你可以把它們想象成羅盤指針，能夠利用磁場探知它們的存在。我們制成一只強(qiáng)有力的‘磁瓶’，在里面造出反物質(zhì)”。

實(shí)驗(yàn)顯示，利用這種磁場，可以將“牽制”反氫原子的時(shí)間延長到十分之一秒的量級，這對于觀察研究反氫原子來說已經(jīng)“足夠長”。最終，歐洲核子研究中心在制造出的數(shù)以千計(jì)的反氫原子中，成功地使其中的38個(gè)存在了大約0.17秒。

反物質(zhì)-與通古斯大爆炸

反物質(zhì)發(fā)動機(jī)概念圖

物理學(xué)上一個(gè)最大的謎團(tuán)就是，世界為什么是由占據(jù)壓倒性地位的正常物質(zhì)構(gòu)成，而不是反物質(zhì)。根據(jù)物理學(xué)定律，這兩種在宇宙誕生時(shí)出現(xiàn)的物質(zhì)數(shù)量上應(yīng)該沒有任何差異。

反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，使人們聯(lián)想上世紀(jì)許多不解之謎，其中最為著名的莫過于“通古斯大爆炸”。1908年6月30日凌晨，俄羅斯西伯利亞通古斯地區(qū)遭遇從天而降的“火球”，大片原始森林頃刻化為灰燼。至于爆炸起因，一些人推斷是小行星撞擊，一些人猜想是反物質(zhì)所致“湮滅”。

深入研究反物質(zhì)，是解開宇宙起源之謎的重要環(huán)節(jié)?！拔覀兿Ｍ槊?，物質(zhì)與反物質(zhì)之間是否存在某些我們尚不知道的區(qū)別，”杭斯特說，“這種區(qū)別或許存在于更基本層面，或許牽連宇宙起源時(shí)某些高能量活動?！?/p>

反物質(zhì)-未解之謎

懸疑1：首個(gè)發(fā)現(xiàn)者或是中國人

中國的反物質(zhì)研究所始于上世紀(jì)80年代初，由世界著名的核物理學(xué)家趙忠堯擔(dān)任技術(shù)顧問，因此西方稱他為“中國反物質(zhì)武器之父”。外界認(rèn)為，趙忠堯是史上第一個(gè)發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的物理學(xué)家。這個(gè)發(fā)現(xiàn)足以使他獲得諾貝爾獎(jiǎng)。但1936年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了1932年在云霧室中觀測到正電子徑跡的安德遜，而不是1930年首先發(fā)現(xiàn)了正負(fù)電子湮滅的趙忠堯。安德遜也承認(rèn)，當(dāng)他的同學(xué)趙忠堯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來的時(shí)候，他正在趙忠堯的隔壁辦公室，他的研究是受趙的啟發(fā)才做的。

懸疑2 ：反物質(zhì)天使or魔鬼

反物質(zhì)，它能輕松地幫助人類進(jìn)行星際旅行，或許也能輕易制造出毀滅地球的“超級核彈”。反物質(zhì)是一種致命武器，威力強(qiáng)大，不可阻擋。一旦將其從歐洲核子研究中心的充電平臺上移走，燈光會令人眩目，周圍會響起雷鳴般的咆哮聲，它們會自動焚毀。有人提出，人類可能有朝一日利用反物質(zhì)的破壞力去摧毀整個(gè)世界。

反物質(zhì)-大事記

1995年歐洲核子研究中心的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中制造出了世界上第一批反物質(zhì)——反氫原子。1996年，美國的費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室成功制造出7個(gè)反氫原子。

1997年4月，美國天文學(xué)家宣布他們利用伽馬射線探測衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，在銀河系上方約3500光年處有一個(gè)不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源，它噴射出的反物質(zhì)形成了一個(gè)高達(dá)2940光年的“反物質(zhì)噴泉”。

1998年6月2日，美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)攜帶阿爾法磁譜儀發(fā)射升空。阿爾法磁譜儀是專門設(shè)計(jì)用來尋找宇宙中的反物質(zhì)的儀器。然而這次飛行并沒有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)，但采集了大量富有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

2000年9月18日，歐洲核子研究中心宣布他們已經(jīng)成功制造出約5萬個(gè)低能狀態(tài)的反氫原子，這是人類首次在實(shí)驗(yàn)室條件下制造出大批量的反物質(zhì)。

2010年11月17日，歐洲核子研究中心(CERN)科學(xué)家宣布，在最新實(shí)驗(yàn)中首次成功捕獲反物質(zhì)，取得了重大的物理學(xué)突破?？茖W(xué)家表示他們首次捕獲了存在于現(xiàn)實(shí)世界的反物質(zhì)樣本。一個(gè)由英國和其他國家物理學(xué)家組成的科研小組在一項(xiàng)驚人的科學(xué)突破中，在實(shí)驗(yàn)室中瞬間“捕捉”了38個(gè)反氫原子。

反物質(zhì)-影響

美國宇航局設(shè)想的一種反物質(zhì)動力火箭

因?yàn)槲镔|(zhì)與反物質(zhì)的湮滅時(shí)質(zhì)量可完全轉(zhuǎn)換成能量，帶來最大的能源效率，且單位產(chǎn)量是核能的千百倍或常規(guī)燃料的億兆倍，所以一直有人研究其作為新能源的可行性，主要用于在太空很難補(bǔ)給燃料的航天用，甚至作為反物質(zhì)武器。

但是由于目前人為制造反物質(zhì)的方式，是由加速粒子打擊固定靶產(chǎn)生反粒子，再減速合成的。此過程所需要的能量遠(yuǎn)大于湮滅作用所放出的能量，且生成反物質(zhì)的速率極低，因此尚不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，不帶電的反物質(zhì)無法以磁場束縛，保存上也是一大問題。

制造反物質(zhì)武器

反物質(zhì)是一種致命武器，威力強(qiáng)大，不可阻擋。一旦將其從歐洲核子研究中心的充電平臺上移走，燈光會令人眩目，周圍會響起雷鳴般的咆哮聲，它們會自動焚毀。有人提出，人類可能有朝一日利用反物質(zhì)的破壞力去摧毀整個(gè)世界，這本身就是一種奇異的想法，也是好萊塢科幻大片《天使與魔鬼》的情節(jié)主線。在影片中，僅僅含有0.25克反物質(zhì)的炸彈就足以將梵蒂岡從地球上抹去。

歐洲核子研究中心物理學(xué)家蘭杜亞表示，我們不要杞人憂天?？茖W(xué)家有充分理由相信上述一幕絕不會在不久的將來上演。蘭杜亞說：“如果你將歐洲核子研究中心在過去30多年反物理實(shí)驗(yàn)中生成的所有反物質(zhì)累積起來，如果你無比幸運(yùn)，你或許會得到一億分之一克反物質(zhì)。如果它在你指尖爆炸，除了像點(diǎn)燃一根火柴以外，不會造成其它任何危險(xiǎn)?！苯邮躊ET的患者血液中具有天然放射性原子，它們釋放出數(shù)千萬個(gè)的正電子不會造成任何負(fù)面影響。

即便物理學(xué)家可以制造出炸彈所需要的足夠多反物質(zhì)，但費(fèi)用將會是個(gè)天文數(shù)字。蘭杜亞說：“1克反物質(zhì)的制造成本可能高達(dá)1000億美元。這可能超出貝拉克·奧巴馬在很多領(lǐng)域投資的資金?！迸＝虼髮W(xué)物理學(xué)家克羅斯還提到了時(shí)間問題。他說：“我們需要100億年才能生成去制造丹·布朗(《天使與魔鬼》一書的作者)所說炸彈的足夠多反物質(zhì)?！?/p>

清潔能源

有人又希望將反物質(zhì)作為一種清潔、綠色能源進(jìn)行開發(fā)。牛津大學(xué)物理學(xué)家克羅斯說：“如果大自然在過去150億年間給我們生成足夠多的反物質(zhì)，也許存在這種可能性?！碧m杜亞說，問題是，我們每次只能用它們造成一個(gè)反原子，這種辦法消耗的能量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們從中獲得的能量——前者可能是后者的十億倍。

然而，這并不表示我們不能以各種新途徑利用反物質(zhì)。2007年，美國加州大學(xué)河濱分校兩位物理學(xué)家戴維·卡西迪(David Cassidy)和艾倫·米爾斯制造出由至少一個(gè)電子偶素原子構(gòu)成的第一個(gè)分子。電子偶素原子很快湮滅變成高能伽馬射線，所以，如果將大量電子偶素原子結(jié)合，也許這能夠令其湮滅，同時(shí)釋放出光線，造出巨大的高能“伽馬射線湮沒激光器”，可被用于對小到原子核這樣的物體拍照，或引發(fā)核反應(yīng)堆中的核聚變。