反物質：說著玩玩，還是來真的？

反物質：說著玩玩，還是來真的？——看反物質能否成為未來太空事業的終極動力

NASA馬歇爾太空飛行中心研究人員開發的未來反物質動力火箭的假想草圖

新視野

即將到來的數十年里，人類發射新型高科技探測器前往近地星球探索的消息無疑會越來越多，而那些距離地球僅數光年的行星亦將陸續被人類一一打量，這也是未來宇航探索的目標所在。

在完成這些目標的過程中，人們不會忘記去觀察達爾文的進化論是否能在其他星球上也發揮著和在地球上一樣的巨大作用——換句話說，試圖尋找地外生命。

儘管人類製造的太空望遠鏡已越來越強悍，但科學家們認為：短時間內或許還不能用它們直接觀察到外星生物，最好還是能在顯微鏡下觀測到那些奇異的、處於低級狀態的外太空生命痕迹，而這就需要我們的飛船有足夠的動力抵達另一個行星系統。

現在，越來越多關於反物質研究的文章意圖說明：人類可以將反物質作為一種新型燃料之源。我們想知道這一結論背後，究竟是可望可及的事實，還是自由奔放的臆測？

科幻是負責任的天馬行空

反物質的概念是英國物理學家保羅·狄拉克最早提出的。他在20世紀30年代預言，每一種粒子都應該有一個與之相對的反粒子，例如反電子，其質量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反。

我們都知道當正物質（普通物質）與反物質相互接觸時，會發生湮滅並釋放出大量的伽馬射線。可以說，這種稍一接觸就大爆炸的變態效果，乃是科幻小說家最津津樂道的題材之一。

在著名的《星際迷航》系列電影中，反物質是一種燃料（其作為燃料動力系統的工作原理也需要利用正反物質相互湮滅而釋放能量），「企業」號宇宙飛船可實現曲速飛行、超光速抵達宇宙中任何一個地方，都仰仗於它的反物質動力系統。

儘管這只是科幻作品中的一個情節，但負責任的科學家們推斷，要進行恆星際宇宙航行時需要攜帶相當多的反物質，如果是對另一個行星系統進行考察並登陸，那麼還需要攜帶足夠的反物質燃料用於減速。據粒子物理學家的計算，如果一艘恆星際宇宙飛船重量為100噸，設計速度為光速的40%，則其必須攜帶的反物質質量要相當於80艘超級油輪的裝載量。不過，如果能將最大速度降低為光速的25%，需攜帶的反物質燃料質量也會大幅降低。

除作為燃料外，在暢銷書作家丹·布朗所撰寫的《天使與魔鬼》中，描述了歐核中心（CERN）的科學家從大型強子對撞機（LHC）中提取出足夠量的反物質用於製造威力巨大的炸彈。由於該書中借用了太多真實場景（甚至包括對CERN花園的描寫）與毫不誇張的科學數據，那顆藏匿在羅馬的反物質炸彈給讀者帶來了相當逼真的震撼——能以百分之百的效率釋放能量，0.25克就足以「將梵蒂岡從地球上抹去」。

儘管書名《天使與魔鬼》另有它意，卻同時也描述出了反物質的兩極性格——輕鬆的能量來源，輕易地毀滅世界。只不過，即使只是製造和保存微量反物質也是件非常困難和耗資巨大的事情——試想它一接觸任何常規物質製造的容器壁，就會瞬息湮滅。因此若談到製造超級武器，更是距離現實非常遙遠。

「在科學技術的力量到達之前，我們已經到達了那些世界。」這就是科幻的真實含義。它符合現在絕不可能兼未來一定要有可能這兩個基本條件。反物質在科幻作品的「虛」中，扮演了相當重要的角色，那它在科學世界的「實」里，情況又如何？

理論探索一貫喜中摻憂

在實驗室里，科學家對反物質相對比較了解，可惜現在的宇宙環境中卻沒有很多反物質。在這些「微乎其微」中，最早被人們發現的就是正電子，而在所有反粒子中，最容易獲得的也是正電子。

對於現在的宇宙而言，人類無疑非常幸運——早期宇宙中雖然存在大量的反物質，但是正物質的含量卻比反物質稍微多了一點。正是如此幸運的「一點點」，導致此後的宇宙在演化中逐漸形成了現在我們所看到的恆星、行星，也包括我們自己，所有的普通物質。

在宇宙學中，對解釋今天宇宙中「物質—反物質比」的一則極其重要的理論，就是「CP破壞」。現在，通過一系列有理的假設，宇宙學家可以得出在宇宙誕生的大爆炸後數秒內的極端狀況下，由「CP破壞」所導致的普通物質數量超過反物質數量的結論。根據其描述，如果有一個由反物質構成的星系出現，那麼作為普通物質的人類，最好還是遠離它。

然而，由於有「電子—正電子」這對最適合研究正反物質結合的系統存在，其在碰撞湮滅過程中所釋放出來的能量，是可以根據愛因斯坦的質能方程E=mc2算出的，這使得現在越來越多的研究認為：反物質的確可以是新型燃料之源。

但是，在這項新構想真正付諸實施之前，人們必須解決反物質數量稀少的問題。按照麻省理工大學《技術評論》的估算，大型強子對撞機工作1000年，或者說僅通過目前的粒子物理加速器技術尚需花費1000年，才能夠製造出1微克可作為燃料的反物質。

如此看來，對反物質的理論探討並沒給其實際應用帶來更多的希望之光，反倒憑添掣肘，頗有「人問寒山道，寒山道不通」的意味。

不過，另一點必須看到的是，在人類建造的加速器里，質子束在以每10年4個數量級的速度提高著。更巧合的是，曾經服役於美國國家航空航天局（NASA）的太空梭機隊,於過去的數十年間使用的液態氫量也呈現相似的增長趨勢。美國《探索》雜誌5月末一篇文章指出，有部分粒子物理學家認為，到了本世紀中期，微克級的反氫產量可能出現指數式增長。

現實研究保持闊步前行

2011年，歐核中心的物理學家將捕獲的反氫原子保持了1000秒。這個時間並不長，但對於主持反氫激光物理裝置項目的科學家來說，卻是4個數量級的重大突破——他們此前的記錄是捕獲了38個反氫原子並保持了172毫秒，那其實已是從更早期的百萬分之一秒量級提高到十分之一秒的量級了——而2011年的實驗成功將309個反氫原子保持到1000秒，從而為更深入觀測反物質爭取了寶貴的時間，也為進一步證明反物質屬性鋪平了道路。

在實驗室之外，國際合作研製的PAMELA（反物質探測和輕核天體物理載荷）探測衛星在地球磁場中發現了反質子的存在。2011年12月，NASA的費米伽馬射線天文望遠鏡以最新數據證實了宇宙存在著過量的反物質，而本次結果是在2008年PAMELA衛星捕捉的一次非同尋常的反物質信號的基礎上完成的。

為了尋找更加無可置疑的證據，一個相當值得依靠的探測器——丁肇中領導、耗資22億美元研製的「阿爾法磁譜儀2」（AMS-02）已於去年5月發送到了國際空間站。這台被稱為「科學之未來」的強大儀器，擁有巨型磁鐵可用於解析宇宙射線，兼而探測正電子的過量和驟降，同時標示出地球軌道上的反粒子。

AMS-02擁有的是遠比費米望遠鏡更高的能量探測範疇，因此也被視為可對反物質謎案作出「結案陳詞」的科學利器。而最近的研究發現，巨大的行星，如木星，其磁場中應該存在著比地球更多的反質子。

當前的趨勢是，科學家開始越來越感興趣從宇宙空間中尋找新的反物質來源，而不僅是從相對低效率的加速器上獲得了。因為如果獲取到的反物質微量到連一杯咖啡都熱不了，更別提去驅動《星際迷航》中的星艦「企業」號了。

另闢蹊徑挑戰終極可能

在反物質供給問題暫時陷入僵局的情況下，科學家們也選擇了從其他方向繼續推進該項研究。

美國微軟全國廣播公司（MSNBC）在線版本月一幀消息稱，西儲學院附高的羅南·基恩和肯特州立大學高級研究員張偉明（音譯），設計出一套全新的計算方法用以驗證反物質火箭性能的優異，其結論是：若以反物質為動力推進火箭，則可接近光速。

這項最新的研究指出，在未來，一種以正、反物質的混合物為推進器燃料的火箭，能夠在宇宙中以光速的70%左右飛行。這意味著，藉助這種新型物質發射火箭，人類前往離地球最近的4.2光年之外的半人馬座約只需要6年時間。

據研究者基恩與張偉明闡述，所謂的「湮滅」現象，是當普通物質與反物質混合接觸的瞬間發生的爆炸，反物質和正物質由此變成光子或者介子。而由湮滅迸發出的巨大能量，正是他們「反物質火箭」研究的理論基點——聽起來和「企業」號星艦的動力原理類似。而據發表於物理學網站arXiv上的文章稱，1公斤正反物質相互作用時所釋放的能量，是同等重量核反應堆燃料的1000多倍，更是同等重量碳氫化合物的20億倍。

此二人的研究藉助了一款用以幫助展示大型強子對撞機內粒子活動狀況譬如質子和反質子流的計算機軟體。他們認為該軟體現在可以用來設計更精密複雜的飛船引擎。而最終，基恩與張偉明的分析結果顯示，反物質火箭的速度完全能夠達到光速的70%，這比之前其他研究小組33%光速的成果有了非常顯著的提高。

arXiv網站對此作了相關解讀：反物質火箭發動機的工作原理是藉助磁場的力量來導流湮滅發生時產生的帶電粒子。這項技術的關鍵點是保證和提高磁場引導粒子流從引擎噴口逸出的效率。arXiv網站認為，一旦反物質發動機成為現實，尋找反物質燃料的工作就可以從理論研究進入到實質性階段。現有研究已經證實，在地球周圍的外太空，存在大量被地球磁場捕獲的反物質。

有趣的是，當反物質火箭真正投入使用之後，乘客們還必須開始習慣所謂的相對論效應——當接近以光速飛行，時空並不會移動得這樣快。簡單地說，從地球到半人馬座的旅行，地球時鐘會走了大約6年的時間，但實際感覺只過了不到4年半而已。

儘管目前這一切聽起來更像是異想天開，但偉大如愛因斯坦也曾認為，並無跡象表明核能將被人類利用，那麼看似不可能的反物質燃料發動機，又為什麼不會在一個世紀內成為終極動力呢？