走近反物質(zhì)

什么是反物質(zhì)?就像質(zhì)子、中子、電子結(jié)合起來形成原子一樣，反質(zhì)子、反中子和反電子結(jié)合起來形成反原子。由反原子構(gòu)成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。當(dāng)你照鏡子時，鏡中的那個你如果真的存在，并出現(xiàn)在你面前，有人就把它叫做“反你”。

科學(xué)家想象，在很遠很遠的地方，有一個和我們的世界很相像的世界，但它是一個由反星系、反恒星、反太陽、反房子和反食物等一切反物質(zhì)構(gòu)成的世界，他們稱它為反物質(zhì)世界。

反物質(zhì)和普通物質(zhì)其實并無二致，所不同的是，組成反物質(zhì)的粒子與組成我們所熟知的普通物質(zhì)的粒子在電荷等方面相反(注意，普通物質(zhì)與反物質(zhì)不僅僅電荷不同)。例如質(zhì)子質(zhì)量為1個單位，電荷為+1個單位，反質(zhì)子質(zhì)量為1個單位，電荷為-1個單位；又比如電子質(zhì)量與反電子質(zhì)量相同，但電子電荷為-1個單位，而反電子電荷則為+1個單位，所以有人把反電子叫做“正電子”。

當(dāng)然，也有一些例外，美國物理學(xué)家布魯斯·克拉克發(fā)現(xiàn)的反中子就是一例，它的質(zhì)量與中子相同，也像中子一樣不帶電荷，但它在更小的單位——夸克方面則與中子明顯不同。其他中性粒子如光子等的反粒子就是它本身。此外，在粒子物理學(xué)中還有一些粒子沒有上述意義的反粒子，中微子就是一例，反中微子自有另外一種定義。

科學(xué)家推測，反質(zhì)子和反中子結(jié)合在一起能成為帶負電的反原子核，反原子核和反電子結(jié)合在一起能組成反原子。物質(zhì)世界有多少種原子，反物質(zhì)世界中就有多少種反原子，它們在結(jié)構(gòu)上不應(yīng)有什么區(qū)別。由此延伸下去。我們的宇宙有它對應(yīng)的反宇宙，在反宇宙里有反星系、反恒星、反地球、反房子、反食物，一直“反”下去，直到反基本粒子。

那么，反物質(zhì)真的存在嗎?答案應(yīng)該是肯定的。

反物質(zhì)世界

宇宙學(xué)家指出，反物質(zhì)是在137億年以前宇宙大爆炸時與普通物質(zhì)一起產(chǎn)生的。大爆炸最初的1秒鐘是宇宙的嬰兒時期，在這一時期宇宙出現(xiàn)了一次暴漲，電子、質(zhì)子和中子等基本粒子在這一時期形成，反電子、反質(zhì)子、反中子等反粒子也是在這一時期形成的。

物質(zhì)世界琳瑯滿目，反物質(zhì)世界又是怎樣的呢?在反物質(zhì)世界里，一切都與現(xiàn)實世界相反。你若想提起反物質(zhì)物體，不是把物體向上提，而要往下按；要是向“反墻”上釘反物質(zhì)釘子，不能用錘子對準墻壁用力敲打，而要用力拔它。試想在這樣一個世界里，我們的一顰一笑將是何等模樣!

真有這樣一個奇妙的反物質(zhì)世界嗎?從哲學(xué)的角度講，這個問題很容易回答，有左必有右，有上必有下，有陽必有陰，有正必有反。許多科學(xué)家表示，誰要是能發(fā)現(xiàn)宇宙反物質(zhì)的存在，那么他將當(dāng)之無愧地獲得諾貝爾獎。這項研究擬在太空進行，探測器發(fā)射后將永駐太空。

為了解反物質(zhì)世界，美國科學(xué)家曾在1979年把一個60層樓高的巨大氣球放到離地面35千米的高空，氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器。這個巨型氣球在空中截獲了28個反質(zhì)子。這是在地球以外第一次發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。除此之外，還在星際空間發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)流。

最近還有報道說，天文學(xué)家在一顆編號為SN2005E的異常奇特的超新星上發(fā)現(xiàn)了一個“反物質(zhì)工廠”，它正在不間斷地向周圍釋放正電子。SN2005E距離地球1億光年，是一顆白矮星爆炸而成的超新星。這類天體的發(fā)現(xiàn)有助于揭示宇宙中反物質(zhì)的來源和分布，從而更好地認識宇宙的演化過程。

不過，盡管在一些孤立的時間和孤立的區(qū)域觀測到了一些反物質(zhì)，但迄今為止還沒有飛行儀器發(fā)現(xiàn)過宇宙中存在大量反物質(zhì)的證據(jù)。

這些孤立的反物質(zhì)有兩種可能的來源：一是來源于一些孤立的發(fā)射點，例如正在發(fā)生很高能反應(yīng)的一些星系核和類星體上產(chǎn)生的反物質(zhì)，但它們隨后就湮滅了；二是高能粒子碰撞產(chǎn)生的次級產(chǎn)物。總之，不管這些反物質(zhì)來源如何，都不能說明有一個反物質(zhì)世界存在。

沒有觀測到大量反物質(zhì)，是不是就意味著沒有反物質(zhì)世界呢?不一定。有人用螞蟻爬紙條來說明反物質(zhì)世界和物質(zhì)世界之間的關(guān)系。取一張小紙條，把兩頭粘在一起，讓一只螞蟻在上面爬。假如不允許它爬過紙條邊緣，它怎樣才能爬到紙條的另一面呢?

有人提出兩個方法：一是螞蟻爬過紙帶邊緣；二是在紙帶上打個洞，讓螞蟻鉆過去。可這兩個方法都是不允許的，因為二者都要爬過紙條邊緣。如果我們用手分別捏住紙條的兩頭，把紙條旋轉(zhuǎn)180度，再粘在一起，紙條的兩面就變成一面了，螞蟻只要在紙條上爬行就可以輕易地爬到紙條的另一面。

這個例子好比我們沒觀測到反物質(zhì)世界，或許并不是因為沒有這樣奇異的世界，而是我們沒有把“紙條旋轉(zhuǎn)180度粘在一起”。換句話說，假如我們的觀測方法得當(dāng)，觀測到反物質(zhì)世界也許是唾手可得的事。

宇宙失衡之謎

從根本上講，反物質(zhì)就是普通物質(zhì)的鏡像。正如我們照鏡子一樣，鏡中的像與我們并無二致，數(shù)量也應(yīng)是相等的。大多數(shù)理論家認為，在宇宙大爆炸期間產(chǎn)生的粒子與反粒子數(shù)目幾乎沒有差別。但在我們思維所及的范圍，一切都是普通物質(zhì)組成的，月亮、太陽、星星、星系和星系團概莫能外，只能偶爾見到一兩個反物質(zhì)或反物質(zhì)噴流。科學(xué)家把這種現(xiàn)象叫做“宇宙失衡”。這是一個令科學(xué)家困惑的宇宙之謎。對這種現(xiàn)象有兩種看似可行的解釋。

第一種解釋是，普通物質(zhì)和反物質(zhì)的物理性質(zhì)可能存在著微小差別，使得早期宇宙過多地被普通物質(zhì)所填滿。在理論上，雖然預(yù)言反物質(zhì)世界可以映出普通物質(zhì)世界的完美身影，但實驗已經(jīng)證實“鏡子”存在著一些“劃痕”。例如CERN在1998年的實驗顯示，一些名為K中介子的特殊粒子時不時地轉(zhuǎn)變?yōu)榉戳Ｗ樱沟闷胀ㄎ镔|(zhì)與反物質(zhì)之間失去平衡。2001年，加拿大和日本的粒子加速器也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，而且在更重的K中介子同位素B介子之間發(fā)現(xiàn)了更加不均衡現(xiàn)象。為深入探討宇宙失衡問題，CERN準備啟用大型強子對撞機做B介子試驗，使用一臺4500噸重的探測器來尋找更多的K介子。

第二種解釋是，宇宙形成后數(shù)秒內(nèi)，普通物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅得不充分，它們在相互消滅對方的過程中設(shè)法逃離了出去。反物質(zhì)可能就隱藏在宇宙的鏡像區(qū)，在那里，可能存在反恒星、反星系甚至反生命。最初可能普通物質(zhì)多一些，或者反物質(zhì)多一些，隨著時間推移。這種微小的差異擴展到宇宙的各個區(qū)域，形成了今天的普通物質(zhì)與反物質(zhì)的分離局面。

科學(xué)之謎終究要靠科學(xué)實驗來解答，宇宙失衡之謎也是一樣。如CERN所做的那樣，物理學(xué)家已在地面實驗室通過做實驗的方式來尋找答案。從十年前起，中日兩國科學(xué)家在海拔4300米高的西藏羊八井地區(qū)設(shè)置了分散的粒子探測器，開展宇宙射線研究，先后接收到正電子、μ子、π介子等高能粒子。后來，他們又改建了新的“地毯”式探測陣列，用以接收來自宇宙的高能射線和反物質(zhì)粒子。

中國科學(xué)院高能物理研究所還和意大利合作，在西藏建成世界上第一個1萬平方米“地毯”式粒子探測陣列實驗站，目前該探測陣列的實驗廳已經(jīng)完工。科學(xué)家正在鋪設(shè)“地毯”，計劃兩年后完工。這是世界上海拔最高的科學(xué)工程，是地面宇宙線探測的重要基地。

除了地面實驗和觀測外，天文學(xué)家和空間科學(xué)家還聯(lián)袂用空間觀測手段來解疑釋惑。在3000萬光年以內(nèi)的反物質(zhì)，由于同普通物質(zhì)碰撞而迅速湮滅。很難觀測得到，即使空間探測器遇到了它們，也無法直接觀測出來，因為今天的天文觀測大多數(shù)是接收天體發(fā)射的光子。

從理論上講，普通物質(zhì)的天體如果輻射光子，反物質(zhì)的反天體也應(yīng)當(dāng)輻射反光子。光子是中性粒子，光子與反光子是同一種粒子。天文學(xué)家通

過光子(包括可見光、射電波、X射線和伽瑪射線)觀測，區(qū)分不了它們是來自天體上的物質(zhì)，還是來自反天體上的反物質(zhì)。

恒星和星系除了輻射光子外，還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣，如果天文學(xué)家能接收中微子，對探測反物質(zhì)是有益的。可惜中微子與任何物質(zhì)的相互作用都很微弱，很難探測到它們，因此探測中微子需要很大很大的探測器。以今天的科學(xué)技術(shù)來建造中微子探測器是非常困難的。當(dāng)今世界上只有美國和日本有這樣的探測器，它們都建在地底下，并且效果都不理想。

不過，天無絕人之路，開辟道路的是阿爾法粒子。宇宙線中含有極少量阿爾法粒子，但從沒有發(fā)現(xiàn)過反阿爾法粒子，這說明原始宇宙線是由普通物質(zhì)組成的。如果宇宙中有反物質(zhì)恒星，那么宇宙線中的阿爾法粒子將與它發(fā)射的反阿爾法粒子碰撞而湮滅，產(chǎn)生π介子，并很快衰變成伽瑪射線。因此，通過阿爾法粒子觀測就可以判斷宇宙中有沒有反恒星存在。

美國宇航局早就想設(shè)計儀器來探測阿爾法粒子，而這個想法現(xiàn)在由丁肇中領(lǐng)導(dǎo)完成。儀器名字叫做“阿爾法磁譜儀”(簡稱AMS)，它是進入太空的全能粒子探測器。

它和地下加速器有兩個重要區(qū)別。首先，它探測的粒子能量大大高于粒子加速器激發(fā)的重原子核能量。例如，世界最大的粒子加速器——CERN的大型強子對撞機可以把粒子撞擊到近7萬億電子伏特，而宇宙線的能量可以高達1萬億億電子伏特以上。

其次，地面加速器是使粒子相互撞擊，而AMS是從深空選取高能粒子樣品。AMS是大型空間粒子探測器，能夠獲得很多很多數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)太多，需要在太空探測器上安裝超巨型計算機，進行必要的數(shù)據(jù)處理和向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。為此，AMS需要2.5千瓦能源，這遠遠超過普通空間飛行器上太陽能電池板的供電能力，所以必須把它放在國際空間站上，因為后者能提供100千瓦的電源。

1998年6月2日，由中國臺灣與美國合作的Ｉ型AMS由美國“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機帶入太空，在近地軌道附近飛行了10天，發(fā)現(xiàn)了宇宙線的許多新現(xiàn)象。2007年，中國科學(xué)院、東南大學(xué)和中國臺灣與美國合作的血型AMS由美國航天飛機送人國際空間站運行。AMS實驗室對于人類認識宇宙的形成機理有著極其重要的意義，利用AMS的觀測數(shù)據(jù)有望破解宇宙失衡的奧秘。

反物質(zhì)飛船

物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅，質(zhì)量可以完全轉(zhuǎn)化為能量，帶來最大的能源效率，且種類型是利用正電子湮滅產(chǎn)生的熱量來排出流體。第三種類型是用湮滅伽瑪單位質(zhì)量的產(chǎn)能量是核能的千百倍，是普通燃料的億兆倍，所以科學(xué)家嘗試著把反物質(zhì)作為新能源進行研究和開發(fā)，試圖讓反物質(zhì)在很難補給燃料的行星際飛行和星際飛行中發(fā)揮作用。

反物質(zhì)推進飛船是科幻文學(xué)中最具吸引力的詞匯，也是粒子物理學(xué)中幾乎像黑洞一樣的話題。在科幻作品中，反物質(zhì)是飛向行星、飛向恒星的飛船最理想的燃料。把人類送上火星，需要使用成千上萬噸化學(xué)燃料，而以反物質(zhì)推進火星飛船，僅僅幾十毫克就夠了，而且只需要6周時間。

目前，反物質(zhì)火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計正在擬議之中，初步樣品尚未研制出來。根據(jù)科學(xué)家的提議，有以下三種供選擇的類型：直接使用反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生推進力；用加熱的工作流體作為推進劑；將加熱的工作流體用來發(fā)電，再使用某種形式的電動飛船推進系統(tǒng)。

上述第一種類型，就是在反質(zhì)子湮滅反應(yīng)中，產(chǎn)生帶電和不帶電的兩種介子和伽瑪射線，帶電的介子可以用磁噴嘴做通道產(chǎn)生推力。這類反物質(zhì)火箭是產(chǎn)生熱的核心裝置，但效率不高。第二射線加熱和燒蝕船帆，由燒蝕物質(zhì)提供推力。

不管上述哪種類型。火箭都要利用反物質(zhì)給電動空間驅(qū)動器充電，都與普通核電力火箭設(shè)計相類似，即反物質(zhì)湮滅能量直接或間接用于加熱工作流體，提供動力或用來發(fā)電，給某種形式的電力空間推進器系統(tǒng)提供電能。

最新的反物質(zhì)火箭燃料采用正電子設(shè)計。正電子產(chǎn)生的伽瑪射線能量僅為反質(zhì)子的11400，可以避免產(chǎn)生極具放射性污染的副作用。

一個美國科學(xué)家研究小組正致力于研發(fā)采用正電子設(shè)計的反物質(zhì)動力宇宙飛船。在研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)飛船面臨兩大難題。第一個難題是反質(zhì)子價格昂貴。使用現(xiàn)在的技術(shù)，每生產(chǎn)1毫克正電子大約要耗費2500萬美元，設(shè)備改善后，捕獲反質(zhì)子的成本有可能降到每毫克5萬美元。可喜的是，芝加哥郊外的費米實驗室的新設(shè)備允許產(chǎn)量增加10倍，即每年可生產(chǎn)15毫微克正電子，正電子的價格可望進一步降低。

第二個難題是正電子儲存困難。粒子與反粒子碰到一起就像冰塊遇上火球，或者一起消失，或者轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ樱栽诘厍蛏希次镔|(zhì)一旦碰上其他物質(zhì)就會灰飛煙滅。目前的反物質(zhì)一般儲存在“彭寧阱”內(nèi)，但這只適用于儲存極少量的反物質(zhì)，不能作為太空反物質(zhì)飛船的燃料儲存器。CERN正努力生產(chǎn)反氫原子，并期望能利用“伊奧夫－普里查德阱”把大量反氫原子安全地長期儲存起來。

如果這種技術(shù)被證明前景廣闊，并且能吸收到足夠的開發(fā)資金，那么正電子動力飛船就將成為人類飛往火星的工具。

有科學(xué)家認為，反物質(zhì)動力飛船最重要的優(yōu)點是比較安全。目前計劃設(shè)計的“火星參考飛行器”使用核動力推進器，可以縮短飛往火星的時間，使宇航員暴露在宇宙線中的時間減少，從而增加了安全性。但是，核反應(yīng)堆很復(fù)雜，在飛行中可能存在較多的安全隱患。

正電子反應(yīng)器則具備核反應(yīng)堆的所有優(yōu)點，而且結(jié)構(gòu)簡單，也沒有核污染。核動力飛船由于帶有核燃料，即使在燃料用完以后，核反應(yīng)堆依然存在放射性，因此在飛船到達火星后，必須考慮讓核反應(yīng)堆進入一個特別的軌道，使它至少在100萬年內(nèi)不與地球相遇。

而正電子動力飛船在正電子反應(yīng)堆燃料用完后不會留下放射性，即使正電子反應(yīng)器意外地重返地球大氣層，也不存在安全問題。此外，如果火箭攜帶的核反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，必定向大氣層釋放放射性粒子，而正電子動力飛船如果發(fā)生爆炸，它將釋放伽瑪射線，而伽瑪射線瞬間消失。沒有放射性粒子隨風(fēng)飄移。

在爆炸的一剎那間，釋放的粒子局限在一個狹小區(qū)域內(nèi)，危險區(qū)限制在飛船周圍約1千米范圍，與一枚普通大型化學(xué)火箭巨大爆炸造成的危險區(qū)大小相同。

正電子動力飛船的另一個重要優(yōu)點是速度。核動力飛船載宇航員去火星需要180天，而先進的正電子動力飛船只要一半時間。或許只要45天就夠了。

反物質(zhì)武器

科學(xué)家還嘗試利用反物質(zhì)制造反物質(zhì)武器。

反物質(zhì)武器是一種以反物質(zhì)作為能量、推進劑或爆炸物的器件，是想象中的擁有超強力量的武器，目前還僅存在于科幻小說中。不過，美國空軍已對其可能的軍事用途，包括毀滅性效果產(chǎn)生了興趣，自冷戰(zhàn)以來，他們一直在資助與反物質(zhì)有關(guān)的物理研究。

反物質(zhì)武器的保密性很強，相關(guān)資料釋放得很少。從其中的只言片語小我們可以知道，反物質(zhì)炸彈不但易于引爆，而且不產(chǎn)生核輻射，是一種“干凈的氫彈”。它擁有氫彈的爆炸威力，卻不造成核污染；它不像原子彈那樣必須達到臨界質(zhì)量才能爆炸，而是在特別微小的質(zhì)量下也能爆炸；它還不像氫彈那樣要求很高的點火溫度。這是一種可作為熱核爆炸或激發(fā)極強X射線或γ射線的“扳機”武器。

反物質(zhì)武器具有第四代核武器的共同特點：其一，雖然威力巨大，但其附帶殺傷效應(yīng)較小。新一代核武器強化了核反應(yīng)中的部分殺傷效應(yīng)，同時抑制了其他殺傷因素和破壞因素的產(chǎn)生。其二，殺傷手段與殺傷、破壞目標更為單一。新型核武器可只應(yīng)用爆炸產(chǎn)生的沖擊波、電磁脈沖或是其他殺傷、破壞因素攻擊特定目標，使用者在使用核武器攻擊時有更大的選擇余地。其三，研究手段中高科技含量非常高。由于反物質(zhì)本身之謎還沒解開，要想把反物質(zhì)武器投入戰(zhàn)場，還需要很長時間。

所以，核武器專家認為，反物質(zhì)武器是第四代核武器。