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反物质疑云
钱思进教授手指环线为位于地下100米处、周长27公里、横跨法瑞边境的环形加速器系统。里面的“质子束”运行速度近似光速,每秒沿环形轨道约转1.1万圈。图中下半部显示的设备是该地下隧道内部的束流管。宋斌摄
图为欧洲核子中心入口处的(粒子物理学)博物馆。宋斌摄

    欧洲核子中心在反物质研究领域迈出重要一步,引起世界关注。这里的科学家上个月成功地将反氢原子“抓住”长达1000秒的时间,打破了迄今为止反物质留存时间的最长纪录。如此长的时间足够科学家对之进行分析并进一步研究其相关属性,进而探索宇宙起源和检验宇宙大爆炸理论。

    核子中心总主任罗尔夫·霍伊尔几天前又透露,大型强子对撞机的一份重要研究报告将于今年底或明年初公布于众。据悉,这一报告主要包括反物质和基本粒子两个研究领域。该消息再次激发外界强烈关注。

    反物质研究正在不断取得突破性进展,但是公众对反物质的认识却仍然很有限、甚至由于道听途说而对反物质研究产生恐慌心理——针对这种反差,目前正在该中心参加试验值班的北京大学钱思进教授和来此实习的台湾中央大学葛道宁博士接受了本报记者采访。他们从宇宙起源理论开始详细讲述了反物质的制造过程及其诸多属性。

    宇宙的来龙去脉

    当前对宇宙起源比较集中的解释是宇宙大爆炸理论。该理论认为,宇宙是在137亿年前由一团炽热的能量发生大爆炸而膨胀形成,大爆炸应该形成等量的物质与反物质。后来,日本和美国学者又提出了“对称破缺理论”并获得了2008年诺贝尔物理奖,该理论认为大爆炸后的正、反物质之间不是等量的,存在非常小(一百亿分之一)的差别,现实的宇宙就是由正、反物质湮灭之后剩余的那一百亿分之一的正物质构成的。

    另外,美国天文学家哈勃于1929年提出了星系红移量与星系间距离成正比的“哈勃定律”,并推出星系互相远离的宇宙膨胀说。钱教授表示,该理论没有表述大爆炸前的宇宙形态和来源,仅指出目前各星系仍处在宇宙大爆炸后的向外扩散过程,但没有预见这一膨胀何时才停止。对此,葛博士认为,按照这一理论,在遥远的未来,膨胀导致宇宙越来越冷;但当膨胀停止后,按照物体相互吸引的原理,此时宇宙各星系之间又会开始收缩,直到相碰发生新的宇宙大爆炸;周而复始的类似循环不断诞生新宇宙。他提醒说,人类对此丝毫不用操心,因为这是非常遥远的事情。

    欧洲核子中心的资料显示,在人类未知的96%的宇宙物质和能量的总量中,有73%是由一种新形式的能量——“暗能量”所组成,而剩下23%的部分则是“暗物质”;与正常物质不同,“暗物质”凭借普通技术手段无法观测。今年5月美籍华人科学家丁肇中借助美国“奋进”号航天飞机把太空粒子探测器——“阿尔法磁谱仪”运送到国际空间站,用以观测太空粒子,研究宇宙中的反物质和暗物质。

    宇宙大爆炸理论催生了人类对反物质的研究,欧洲核子中心的科学发现和创造也进一步激发了人类对反物质的关注。反物质概念最早由英国物理学家保罗·狄拉克在上个世纪30年代提出,他预言每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子,如反电子(即带正电的电子),其质量与电子完全相同,而携带的电荷正好相反;反质子、反中子也类似。科学界曾把诸如电子、质子、中子等通称为基本粒子(即组成万物的最小粒子);但20世纪60年代后,实验上已证实质子和中子已不是最小粒子。目前,基本粒子有12个,分为夸克和轻子2类,每一类分别拥有6种形式并有不同的具体名称。

    基本粒子是构成世间万物的最小单元,如动植物都是由细胞构成,细胞由分子构成,分子由原子构成,原子由原子核和电子构成,原子核由质子和中子构成,质子和中子由夸克构成。因此,夸克和轻子(其中包括电子)是当今实验中能检测到的最小、不可再分的单元,故称它们为“基本粒子”。

    如何制造反物质

    高中化学课会经常提到“元素周期表”,氢是其中最轻最简单的元素,也就是一个负电电子围着一个正电质子旋转。钱教授表示,科学家从最简单的氢原子入手研究反物质,是因为它只包含2个粒子。    

    该中心的科学家利用“质子分离器”从氢元素中剥离电子而取得作为氢核的质子,上亿个这样的质子收集在一起就形成了“质子包”,然后再分批将这些“质子包”发送到加速器的束流管中,成百上千个“质子包”构成的“质子束”通过多级加速才能达到最终碰撞 的运行速度。

    在大型加速器系统里,一束非常接近光速运行的“质子束”撞击一个固定靶(研究反物质使用的是固定靶运行模式。此方法类似于“用消防水枪射击墙壁”且随后会形成四溅的水花和被冲刷下来的墙壁杂质;但不同的是,“固定靶运行模式”可以产生撞击前不存在的新粒子),会与靶中的粒子相撞产生许多快速散开的“碎片”(即次级粒子),这些“碎片”中包括一些碰撞前不存在的粒子,它们是由高能束流中的能量在碰撞时转化成质量而形成的。按照爱因斯坦“能量与质量相互转化”的原理,科研人员利用此方法产生了碰撞前不存在的“带负电的质子”(反质子),但它们飞行速度很快,所以要再通过减速器让“反质子”静止下来,再将“反质子”与用其他方法获得的“带正电的电子”(即反电子)相融合,最终形成了“反氢原子”。

    但问题是,“反氢原子”不能接触正物质的世界,否则会迅速与正常物质中原子相遇并形成能量(辐射或亮光)。这与“酸碱物质相遇会发生中和反应”有些类似;因此,“反氢原子”必须相对静止地被保存在真空容器中,而且不能碰到试验设备,科学家们要借助磁力或其他方法把制造出来的“反氢原子”稳定住或抓住。

    钱教授称,制造“反氢原子”难度大,因为要在每次碰撞产生的成千上万个“碎片”中“拣到”“反质子”,然后通过减速器放慢它们的运行速度,以利于最后融合产生“反氢原子”;而保存“反氢原子”的难度更大,因为自然界全由正物质组成,反氢原子极易与正物质发生上述比喻的“中和反应”。

    60多年前科学家已经发现了反质子和反中子,16年前欧洲核子中心的科学家曾在世界上首次制造出微量反氢原子,但无法保存。该中心去年11月使38个反氢原子停留了0.17秒,而上月的试验又使数百个反氢原子停留了1千秒,约16分钟。钱教授表示,这为人类研究反物质提供了现实可行性。据悉,今年5月中国科学家参与的国际合作组在美国重离子对撞机上的实验中也探测到非常稀有的氦的反物质原子(即反氦4)。

    反物质并不具现实威胁

    反物质的出现引起社会关注与好奇。美国作家丹·布朗的畅销小说《达·芬奇密码》的姊妹篇《天使与魔鬼》中就虚构了反物质炸弹,作品描述“0.25克反物质炸弹足以将梵蒂冈从地球上抹去”;美国科幻片《星际迷航》把反物质用于星际飞船燃料。对此,钱教授称,经初步估算,1千克反物质的能量接近世界上最大氢弹的威力。

    但是,反物质目前还远不具备现实应用的可能,也还远没有现实危险性。钱教授说,全球科学家奋斗了十几年,至今仅制造出最多10的负17次方克的反氢原子;估计即使再努力数亿年,也只能造出不多于1毫克的反氢物质。 

    欧洲核子中心建造大型强子对撞机的项目曾一度引起周围居民的恐慌,关于“射线”的危害和“黑洞”、“反物质世界”的传说很多,比如,高能粒子对撞产生的“黑洞”会“吞噬”现实世界、大到犹如地球体积的“反物质”会与地球一同“湮灭”等等。钱教授解释说,这些担忧完全没有必要。大型强子对撞机达到的束流能量,是日常宇宙射线“轰击”到地球的一些粒子能量的千万分之一,地球经受了几十亿年的类似“考验”;而“微观黑洞”只是一个理论假说,即使存在,它的特性也与星系间的大尺度“宏观黑洞”截然不同,“微观黑洞”的体积比质子还小,且寿命极短,转瞬即逝,不会给现实世界留下任何影响和痕迹。大型强子对撞机自去年3月成功实现高能质子对撞且连续运行至今,没有出现任何值得担忧的危险迹象。

    链接

    欧洲核子中心创建于57年前,拥有2000多名工作人员,吸引了来自85个国家和地区580多个科研机构和大学的上万名访问学者来此从事科学研究,约为全球一半数量的粒子物理学家。作为非成员国,中国一直与该中心保持着良好的合作关系。多年来,来自中国科学院高能物理所、北京大学、清华大学、南京大学、山东大学、中国科技大学、华中师范大学、华中理工大学、中国原子能科学研究院等单位的数十人在此参与了大型强子对撞机上多个大实验的科研合作。

    (本报驻日内瓦记者  宋  斌)

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