正反物質的完美混合

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。

在大爆炸之后極短的時間里，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，也包含反物質。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，它就消失了：電子和正電子在接觸后彼此湮滅，它們的質量完全轉換成能量。

不過從那以后，宇宙中出現的許多劇烈的天文學事件，都能產生電子-正電子等離子體。現在，科學家們也開始學會在實驗室中生產這種等離子體，希望以此來了解那些劇烈的天文學事件背后的科學原理。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。

如此看來，電子-正電子等離子體的確很了不起。下面，我們就來了解一下它。

劇烈的天文學事件能產生它

愛因斯坦著名的公式E=mc2告訴我們，質量和能量是等價的，它們可以相互轉換，宇宙產生電子-正電子等離子體的能力就來源于此。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變成電子和正電子對，反之亦然。

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

一個例子就是伽馬射線暴，它是來自天空中某一方向的伽瑪射線強度在短時間內突然增強，隨后又迅速減弱的現象。然而，除了這些以外，天文學家對伽馬射線暴的了解并不是很多，其成因仍是一個謎。一個熱門的觀點認為，伽馬射線暴是大質量恒星變為超新星時產生的。然而，無論真相是什么，電子-正電子等離子體被認為與伽馬射線暴的成因有關，不管是這種等離子體在磁場中旋轉，還是它與星際介質發生了碰撞，在很多種情況下，它都可以產生大量的伽馬射線。

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

而快速射電暴是來自天空中某一方向的僅維持數毫秒的強度極高的無線電波脈沖。觀測顯示，其爆發的源頭應該是有著極強磁場的天體。至于這個天體具體是什么，也是一個謎，目前天文學家提出的假設包括具有超強磁場的中子星、合并中的中子星或黑洞、超強的超新星爆發等。

天文學家推測，在這幾種天文學事件中可能都有電子-正電子等離子體產生出來。高強度磁場會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，而我們接受到的無線電波脈沖可能就是等離子體流湮滅時產生的。

在實驗室中制造它

這些劇烈的天文學事件發生的地點都離我們十分遙遠。為了能更好地理解它們，來自世界各地的研究人員開始嘗試在實驗室中制造電子-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稀疏的原子中的電子撞擊出來，使它們成為一束電子，并能以接近光速的速度向前移動。如果電子束撞擊到金屬塊上，那么電子的能量就會轉化成一堆高能的光子。研究人員認為，在這個碰撞中，一些高能的光子還能轉換成一束電子-正電子對。產生足夠多的電子-正電子對，就可形成電子-正電子等離子體。

2012年，美國密歇根大學的研究人員用激光設備進行了第一次嘗試，但只成功了一半：正電子束出現了，但產生的量太少了，沒有形成等離子體。研究人員認為，得用上更強大的激光設備。

三年后，英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室借助一種超強的激光設備，產生了相同數量的電子和正電子，從而形成了電子-正電子等離子體。研究人員在實驗中還觀察到了該等離子體產生的一種細絲狀結構，這是該等離子體在與自身發生相互作用時產生的。過不多久，里面的電子和正電子會發生湮滅，變為光子。

英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室的研究人員還準備驗證一種設想：伽馬射線主要是電子-正電子等離子體在與星際介質的碰撞中產生的高能光子，并以一種沖擊波的形式向外爆發出去。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的模擬物，似乎檢測到了一些沖擊波產生的跡象。他們正在與多個實驗室合作，進一步檢測這一過程。

掌握可控核聚變需要它

研究電子-正電子等離子體，還有一個更實用性的理由。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堆中，也有等離子體的身影。

自上世紀50年代以來，全球的科學家就一直在研究可控核聚變，它能為人類帶來幾乎取之不盡的清潔能源。實現可控核聚變，需要在反應堆中使用由電子和帶正電的原子核組成的等離子體。當等離子體足夠熱時，原子核就會發生聚變，釋放出大量的核能。然而，可控核聚變的研究進展十分緩慢。例如，位于英國的歐洲聯合環狀反應堆，聚變產生的能量只相當于輸入能量的70%。位于法國的國際熱核聚變實驗反應堆計劃能在2030年左右，實現輸出能量大于輸入能量。可見，要實現可控核聚變商業化，還是一件遙遠的事情。

由于電子質量和原子核質量之間的差距非常大，這使得描述聚變反應堆中的等離子體物理理論公式變得很臃腫和復雜，而研究人員常常無法用理論準確地預測出等離子體的行為。例如，許多時候，保留小數點后的位數不夠多，或者忽略了一些物理量，導致了研究人員所做的理論預測走向失敗。這個問題，其實就是可控核聚變的研究進展過于緩慢的原因之一。

至于電子-正電子等離子體，因為電子和正電子的質量是相等的，描述它們的理論相對來說很精簡。可以說，它是最簡單的一種等離子體。如果研究人員可以在實驗中觀測電子-正電子等離子體，并于理論相對比，就可以完善當前的等離子體物理學，并最終提高對聚變反應堆中的等離子體的認識。

用磁場困住它

為了能更容易地觀測到電子-正電子等離子體，德國馬克斯·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能存儲它的容器。他們使用了在研究傳統等離子體所使用的技術，那就是磁約束。如果你能以正確的方式設計磁場，讓電子和正電子遠離容器壁，那么它們就可以在容器中存在一定長的時間。

聽起來很簡單，但是研究人員發現，容器中裝入一定量的電子和正電子后，就再也裝不進新的粒子了，這是因為磁場會排斥更多的粒子進入容器內。研究人員正嘗試一種辦法，能讓新的電子和正電子進入容器內。在最新的實驗中，他們發現，通過在容器內施加一個穩定的電壓，新的電子和正電子可以緩慢地加入容器內。

他們的實驗仍在繼續，希望能很快得到一個完美的電子-正電子等離子體。如果成功了，研究人員希望能回答的一個關鍵問題是，這種等離子體能存活多久后走向湮滅。當前的理論告訴我們，它應該持續幾分鐘。然而，如果它比我們的理論預測的更不穩定或更穩定，那么說明我們的當前的等離子體物理學仍存在明顯的大問題，理論學家需要重新審視該理論。這樣的話，許多與可控聚變相關的理論也需要改寫。

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