反物質疑雲

07-12

它是鏡中花，水中月，在開天闢地之初剎那間灰飛煙滅，如今卻成為科學技術發展的巔峰之作，每一點進展都能令全世界矚目。它就是反物質。它到底是什麼？它從何處來？它會給人類帶來傳說中的現實威脅嗎？正在參與歐洲核子中心研究的前沿科學家為你全面揭秘——反物質疑雲《光明日報》（ 2011年07月24日 05 版）

錢思進教授手指環線為位於地下100米處、周長27公里、橫跨法瑞邊境的環形加速器系統。裡面的「質子束」運行速度近似光速,每秒沿環形軌道約轉1.1萬圈。圖中下半部顯示的設備是該地下隧道內部的束流管。宋斌攝

圖為歐洲核子中心入口處的（粒子物理學）博物館。宋斌攝

歐洲核子中心在反物質研究領域邁出重要一步，引起世界關注。這裡的科學家上個月成功地將反氫原子「抓住」長達1000秒的時間,打破了迄今為止反物質留存時間的最長紀錄。如此長的時間足夠科學家對之進行分析並進一步研究其相關屬性，進而探索宇宙起源和檢驗宇宙大爆炸理論。

核子中心總主任羅爾夫·霍伊爾幾天前又透露，大型強子對撞機的一份重要研究報告將於今年底或明年初公佈於眾。據悉，這一報告主要包括反物質和基本粒子兩個研究領域。該消息再次激發外界強烈關注。

反物質研究正在不斷取得突破性進展，但是公眾對反物質的認識卻仍然很有限、甚至由於道聽途說而對反物質研究產生恐慌心理——針對這種反差，目前正在該中心參加試驗值班的北京大學錢思進教授和來此實習的台灣中央大學葛道寧博士接受了本報記者採訪。他們從宇宙起源理論開始詳細講述了反物質的製造過程及其諸多屬性。

宇宙的來龍去脈

當前對宇宙起源比較集中的解釋是宇宙大爆炸理論。該理論認為，宇宙是在137億年前由一團熾熱的能量發生大爆炸而膨脹形成，大爆炸應該形成等量的物質與反物質。後來，日本和美國學者又提出了「對稱破缺理論」並獲得了2008年諾貝爾物理獎，該理論認為大爆炸後的正、反物質之間不是等量的，存在非常小（一百億分之一）的差別，現實的宇宙就是由正、反物質湮滅之後剩餘的那一百億分之一的正物質構成的。

另外，美國天文學家哈勃於1929年提出了星系紅移量與星系間距離成正比的「哈勃定律」，並推出星系互相遠離的宇宙膨脹說。錢教授表示，該理論沒有表述大爆炸前的宇宙形態和來源，僅指出目前各星系仍處在宇宙大爆炸後的向外擴散過程，但沒有預見這一膨脹何時才停止。對此，葛博士認為，按照這一理論，在遙遠的未來，膨脹導致宇宙越來越冷；但當膨脹停止後，按照物體相互吸引的原理，此時宇宙各星系之間又會開始收縮，直到相碰發生新的宇宙大爆炸；周而復始的類似循環不斷誕生新宇宙。他提醒說，人類對此絲毫不用操心，因為這是非常遙遠的事情。

歐洲核子中心的資料顯示，在人類未知的96%的宇宙物質和能量的總量中，有73%是由一種新形式的能量——「暗能量」所組成，而剩下23%的部分則是「暗物質」；與正常物質不同，「暗物質」憑藉普通技術手段無法觀測。今年5月美籍華人科學家丁肇中藉助美國「奮進」號太空梭把太空粒子探測器——「阿爾法磁譜儀」運送到國際空間站，用以觀測太空粒子，研究宇宙中的反物質和暗物質。

宇宙大爆炸理論催生了人類對反物質的研究，歐洲核子中心的科學發現和創造也進一步激發了人類對反物質的關注。反物質概念最早由英國物理學家保羅·狄拉克在上個世紀30年代提出，他預言每一種粒子都應該有一個與之相對的反粒子，如反電子（即帶正電的電子），其質量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反；反質子、反中子也類似。科學界曾把諸如電子、質子、中子等通稱為基本粒子（即組成萬物的最小粒子）；但20世紀60年代後，實驗上已證實質子和中子已不是最小粒子。目前，基本粒子有12個，分為夸克和輕子2類,每一類分別擁有6種形式並有不同的具體名稱。

基本粒子是構成世間萬物的最小單元，如動植物都是由細胞構成，細胞由分子構成，分子由原子構成，原子由原子核和電子構成，原子核由質子和中子構成，質子和中子由夸克構成。因此，夸克和輕子（其中包括電子）是當今實驗中能檢測到的最小、不可再分的單元，故稱它們為「基本粒子」。

如何製造反物質

高中化學課會經常提到「元素周期表」，氫是其中最輕最簡單的元素，也就是一個負電電子圍著一個正電質子旋轉。錢教授表示，科學家從最簡單的氫原子入手研究反物質，是因為它只包含2個粒子。

該中心的科學家利用「質子分離器」從氫元素中剝離電子而取得作為氫核的質子，上億個這樣的質子收集在一起就形成了「質子包」,然後再分批將這些「質子包」發送到加速器的束流管中，成百上千個「質子包」構成的「質子束」通過多級加速才能達到最終碰撞的運行速度。

在大型加速器系統里，一束非常接近光速運行的「質子束」撞擊一個固定靶（研究反物質使用的是固定靶運行模式。此方法類似於「用消防水槍射擊牆壁」且隨後會形成四濺的水花和被沖刷下來的牆壁雜質；但不同的是，「固定靶運行模式」可以產生撞擊前不存在的新粒子），會與靶中的粒子相撞產生許多快速散開的「碎片」（即次級粒子），這些「碎片」中包括一些碰撞前不存在的粒子，它們是由高能束流中的能量在碰撞時轉化成質量而形成的。按照愛因斯坦「能量與質量相互轉化」的原理，科研人員利用此方法產生了碰撞前不存在的「帶負電的質子」（反質子），但它們飛行速度很快，所以要再通過減速器讓「反質子」靜止下來，再將「反質子」與用其他方法獲得的「帶正電的電子」（即反電子）相融合，最終形成了「反氫原子」。

但問題是，「反氫原子」不能接觸正物質的世界，否則會迅速與正常物質中原子相遇並形成能量（輻射或亮光）。這與「酸鹼物質相遇會發生中和反應」有些類似；因此，「反氫原子」必須相對靜止地被保存在真空容器中，而且不能碰到試驗設備，科學家們要藉助磁力或其他方法把製造出來的「反氫原子」穩定住或抓住。

錢教授稱，製造「反氫原子」難度大，因為要在每次碰撞產生的成千上萬個「碎片」中「揀到」「反質子」，然後通過減速器放慢它們的運行速度，以利於最後融合產生「反氫原子」；而保存「反氫原子」的難度更大，因為自然界全由正物質組成，反氫原子極易與正物質發生上述比喻的「中和反應」。

60多年前科學家已經發現了反質子和反中子，16年前歐洲核子中心的科學家曾在世界上首次製造出微量反氫原子，但無法保存。該中心去年11月使38個反氫原子停留了0.17秒，而上月的試驗又使數百個反氫原子停留了1千秒，約16分鐘。錢教授表示，這為人類研究反物質提供了現實可行性。據悉，今年5月中國科學家參與的國際合作組在美國重離子對撞機上的實驗中也探測到非常稀有的氦的反物質原子（即反氦4）。

反物質並不具現實威脅

反物質的出現引起社會關注與好奇。美國作家丹·布朗的暢銷小說《達·芬奇密碼》的姊妹篇《天使與魔鬼》中就虛構了反物質炸彈，作品描述「0.25克反物質炸彈足以將梵蒂岡從地球上抹去」；美國科幻片《星際迷航》把反物質用於星際飛船燃料。對此，錢教授稱，經初步估算，1千克反物質的能量接近世界上最大氫彈的威力。

但是，反物質目前還遠不具備現實應用的可能，也還遠沒有現實危險性。錢教授說，全球科學家奮鬥了十幾年，至今僅製造出最多10的負17次方克的反氫原子；估計即使再努力數億年，也只能造出不多於1毫克的反氫物質。

歐洲核子中心建造大型強子對撞機的項目曾一度引起周圍居民的恐慌，關於「射線」的危害和「黑洞」、「反物質世界」的傳說很多，比如，高能粒子對撞產生的「黑洞」會「吞噬」現實世界、大到猶如地球體積的「反物質」會與地球一同「湮滅」等等。錢教授解釋說，這些擔憂完全沒有必要。大型強子對撞機達到的束流能量，是日常宇宙射線「轟擊」到地球的一些粒子能量的千萬分之一，地球經受了幾十億年的類似「考驗」；而「微觀黑洞」只是一個理論假說，即使存在，它的特性也與星系間的大尺度「宏觀黑洞」截然不同，「微觀黑洞」的體積比質子還小，且壽命極短，轉瞬即逝，不會給現實世界留下任何影響和痕迹。大型強子對撞機自去年3月成功實現高能質子對撞且連續運行至今，沒有出現任何值得擔憂的危險跡象。

鏈接

歐洲核子中心創建於57年前，擁有2000多名工作人員，吸引了來自85個國家和地區580多個科研機構和大學的上萬名訪問學者來此從事科學研究，約為全球一半數量的粒子物理學家。作為非成員國，中國一直與該中心保持著良好的合作關係。多年來，來自中國科學院高能物理所、北京大學、清華大學、南京大學、山東大學、中國科技大學、華中師範大學、華中理工大學、中國原子能科學研究院等單位的數十人在此參與了大型強子對撞機上多個大實驗的科研合作。

（本報駐日內瓦記者宋斌）