正反物質(zhì)的完美混合

赤緯

看似不可能的組合，卻能幫助我們掌握可控核聚變技術(shù)。

在大爆炸之后極短的時(shí)間里，宇宙中充滿了一種很特別的東西。它很熱，具有“自毀傾向”。它既包含正物質(zhì)，也包含反物質(zhì)。這種東西叫做“電子-正電子等離子體”，是等量的電子與正電子完美混合。但在幾秒鐘內(nèi)，它就消失了：電子和正電子在接觸后彼此湮滅，它們的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)換成能量。

不過(guò)從那以后，宇宙中出現(xiàn)的許多劇烈的天文學(xué)事件，都能產(chǎn)生電子-正電子等離子體?，F(xiàn)在，科學(xué)家們也開(kāi)始學(xué)會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)這種等離子體，希望以此來(lái)了解那些劇烈的天文學(xué)事件背后的科學(xué)原理。此外，了解這種等離子體，還能幫助我們徹底掌握可控核聚變技術(shù)。

如此看來(lái)，電子-正電子等離子體的確很了不起。下面，我們就來(lái)了解一下它。

劇烈的天文學(xué)事件能產(chǎn)生它

愛(ài)因斯坦著名的公式E=mc2告訴我們，質(zhì)量和能量是等價(jià)的，它們可以相互轉(zhuǎn)換，宇宙產(chǎn)生電子-正電子等離子體的能力就來(lái)源于此。在大爆炸之后，宇宙充滿了以光子形式存在的能量。只要光子的能量比電子和正電子的能量總和還要大，那么光子就有能力轉(zhuǎn)變成電子和正電子對(duì)，反之亦然。

大爆炸后產(chǎn)生的電子-正電子等離子體并沒(méi)有存在太久，它們隨著宇宙膨脹后迅速冷卻，隨后都湮滅成了光子。在過(guò)去的十幾年里，天文學(xué)家越來(lái)越相信，許多劇烈的天文學(xué)事件也能產(chǎn)生這種等離子體，盡管產(chǎn)生的量比大爆炸本身產(chǎn)生的少了很多。

一個(gè)例子就是伽馬射線暴，它是來(lái)自天空中某一方向的伽瑪射線強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)突然增強(qiáng)，隨后又迅速減弱的現(xiàn)象。然而，除了這些以外，天文學(xué)家對(duì)伽馬射線暴的了解并不是很多，其成因仍是一個(gè)謎。一個(gè)熱門的觀點(diǎn)認(rèn)為，伽馬射線暴是大質(zhì)量恒星變?yōu)槌滦菚r(shí)產(chǎn)生的。然而，無(wú)論真相是什么，電子-正電子等離子體被認(rèn)為與伽馬射線暴的成因有關(guān)，不管是這種等離子體在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，還是它與星際介質(zhì)發(fā)生了碰撞，在很多種情況下，它都可以產(chǎn)生大量的伽馬射線。

此外，脈沖星和快速射電暴也與電子-正電子等離子體有關(guān)。脈沖星是一種能產(chǎn)生脈沖信號(hào)的中子星。中子星體積很小，自轉(zhuǎn)很快，而且磁場(chǎng)很強(qiáng)，電磁輻射只能沿著磁軸方向輻射出去。如果磁軸和自轉(zhuǎn)軸不重合，電磁輻射會(huì)像燈塔一樣周期性地掃過(guò)周圍空間，在地球上會(huì)觀測(cè)到一閃一閃的脈沖信號(hào)，所以稱這樣的中子星為脈沖星。

而快速射電暴是來(lái)自天空中某一方向的僅維持?jǐn)?shù)毫秒的強(qiáng)度極高的無(wú)線電波脈沖。觀測(cè)顯示，其爆發(fā)的源頭應(yīng)該是有著極強(qiáng)磁場(chǎng)的天體。至于這個(gè)天體具體是什么，也是一個(gè)謎，目前天文學(xué)家提出的假設(shè)包括具有超強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星、合并中的中子星或黑洞、超強(qiáng)的超新星爆發(fā)等。

天文學(xué)家推測(cè)，在這幾種天文學(xué)事件中可能都有電子-正電子等離子體產(chǎn)生出來(lái)。高強(qiáng)度磁場(chǎng)會(huì)把它限制在磁極附近，一些還能沿著磁軸方向噴射到太空中，形成等離子體流，而我們接受到的無(wú)線電波脈沖可能就是等離子體流湮滅時(shí)產(chǎn)生的。

在實(shí)驗(yàn)室中制造它

這些劇烈的天文學(xué)事件發(fā)生的地點(diǎn)都離我們十分遙遠(yuǎn)。為了能更好地理解它們，來(lái)自世界各地的研究人員開(kāi)始嘗試在實(shí)驗(yàn)室中制造電子-正電子等離子體。

研究人員知道，超短暫的激光脈沖可以將一團(tuán)稀疏的原子中的電子撞擊出來(lái)，使它們成為一束電子，并能以接近光速的速度向前移動(dòng)。如果電子束撞擊到金屬塊上，那么電子的能量就會(huì)轉(zhuǎn)化成一堆高能的光子。研究人員認(rèn)為，在這個(gè)碰撞中，一些高能的光子還能轉(zhuǎn)換成一束電子-正電子對(duì)。產(chǎn)生足夠多的電子-正電子對(duì)，就可形成電子-正電子等離子體。

2012年，美國(guó)密歇根大學(xué)的研究人員用激光設(shè)備進(jìn)行了第一次嘗試，但只成功了一半：正電子束出現(xiàn)了，但產(chǎn)生的量太少了，沒(méi)有形成等離子體。研究人員認(rèn)為，得用上更強(qiáng)大的激光設(shè)備。

三年后，英國(guó)盧瑟福·阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室借助一種超強(qiáng)的激光設(shè)備，產(chǎn)生了相同數(shù)量的電子和正電子，從而形成了電子-正電子等離子體。研究人員在實(shí)驗(yàn)中還觀察到了該等離子體產(chǎn)生的一種細(xì)絲狀結(jié)構(gòu)，這是該等離子體在與自身發(fā)生相互作用時(shí)產(chǎn)生的。過(guò)不多久，里面的電子和正電子會(huì)發(fā)生湮滅，變?yōu)楣庾印?/p>

英國(guó)盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室的研究人員還準(zhǔn)備驗(yàn)證一種設(shè)想：伽馬射線主要是電子-正電子等離子體在與星際介質(zhì)的碰撞中產(chǎn)生的高能光子，并以一種沖擊波的形式向外爆發(fā)出去。2017年8月，研究人員讓電子-正電子等離子體射向了星際介質(zhì)的模擬物，似乎檢測(cè)到了一些沖擊波產(chǎn)生的跡象。他們正在與多個(gè)實(shí)驗(yàn)室合作，進(jìn)一步檢測(cè)這一過(guò)程。

掌握可控核聚變需要它

研究電子-正電子等離子體，還有一個(gè)更實(shí)用性的理由。畢竟，電子-正電子等離子體仍是一種等離子體。生活中，霓虹燈、熒光燈、電視屏幕上，都有人造的等離子體。此外，在那些巨大的可控核聚變反應(yīng)堆中，也有等離子體的身影。

自上世紀(jì)50年代以來(lái)，全球的科學(xué)家就一直在研究可控核聚變，它能為人類帶來(lái)幾乎取之不盡的清潔能源。實(shí)現(xiàn)可控核聚變，需要在反應(yīng)堆中使用由電子和帶正電的原子核組成的等離子體。當(dāng)?shù)入x子體足夠熱時(shí)，原子核就會(huì)發(fā)生聚變，釋放出大量的核能。然而，可控核聚變的研究進(jìn)展十分緩慢。例如，位于英國(guó)的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆，聚變產(chǎn)生的能量只相當(dāng)于輸入能量的70%。位于法國(guó)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃能在2030年左右，實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量?？梢?jiàn)，要實(shí)現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化，還是一件遙遠(yuǎn)的事情。

由于電子質(zhì)量和原子核質(zhì)量之間的差距非常大，這使得描述聚變反應(yīng)堆中的等離子體物理理論公式變得很臃腫和復(fù)雜，而研究人員常常無(wú)法用理論準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出等離子體的行為。例如，許多時(shí)候，保留小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)不夠多，或者忽略了一些物理量，導(dǎo)致了研究人員所做的理論預(yù)測(cè)走向失敗。這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)就是可控核聚變的研究進(jìn)展過(guò)于緩慢的原因之一。

至于電子-正電子等離子體，因?yàn)殡娮雍驼娮拥馁|(zhì)量是相等的，描述它們的理論相對(duì)來(lái)說(shuō)很精簡(jiǎn)。可以說(shuō)，它是最簡(jiǎn)單的一種等離子體。如果研究人員可以在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)電子-正電子等離子體，并于理論相對(duì)比，就可以完善當(dāng)前的等離子體物理學(xué)，并最終提高對(duì)聚變反應(yīng)堆中的等離子體的認(rèn)識(shí)。

用磁場(chǎng)困住它

為了能更容易地觀測(cè)到電子-正電子等離子體，德國(guó)馬克斯·普朗克研究所下屬的等離子體物理研究所一直在試圖建立一個(gè)能存儲(chǔ)它的容器。他們使用了在研究傳統(tǒng)等離子體所使用的技術(shù)，那就是磁約束。如果你能以正確的方式設(shè)計(jì)磁場(chǎng)，讓電子和正電子遠(yuǎn)離容器壁，那么它們就可以在容器中存在一定長(zhǎng)的時(shí)間。

聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是研究人員發(fā)現(xiàn)，容器中裝入一定量的電子和正電子后，就再也裝不進(jìn)新的粒子了，這是因?yàn)榇艌?chǎng)會(huì)排斥更多的粒子進(jìn)入容器內(nèi)。研究人員正嘗試一種辦法，能讓新的電子和正電子進(jìn)入容器內(nèi)。在最新的實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在容器內(nèi)施加一個(gè)穩(wěn)定的電壓，新的電子和正電子可以緩慢地加入容器內(nèi)。

他們的實(shí)驗(yàn)仍在繼續(xù)，希望能很快得到一個(gè)完美的電子-正電子等離子體。如果成功了，研究人員希望能回答的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，這種等離子體能存活多久后走向湮滅。當(dāng)前的理論告訴我們，它應(yīng)該持續(xù)幾分鐘。然而，如果它比我們的理論預(yù)測(cè)的更不穩(wěn)定或更穩(wěn)定，那么說(shuō)明我們的當(dāng)前的等離子體物理學(xué)仍存在明顯的大問(wèn)題，理論學(xué)家需要重新審視該理論。這樣的話，許多與可控聚變相關(guān)的理論也需要改寫(xiě)。

一般的等離子體指的是氣體中的原子在高溫或強(qiáng)電磁場(chǎng)下被電離，變成了由帶電粒子組成的氣體狀物質(zhì)。