本報記者 劉 霞 綜合外電
除了我們常見的物質(zhì)外，宇宙中還存在著反物質(zhì)。自1928年英國物理學(xué)家保羅·狄拉克預(yù)言反物質(zhì)存在以來，反物質(zhì)一直是科學(xué)家眼中的“香餑餑”?？茖W(xué)家們認為，反物質(zhì)研究在高能物理、宇宙演化等方面具有重要意義，深入研究反物質(zhì)，是解開宇宙起源之謎的重要環(huán)節(jié)。
反物質(zhì)也是很多科幻小說中的“標配”。比如，在電影《達芬奇密碼》的姊妹篇《天使與魔鬼》中，僅僅含有0.25克反物質(zhì)的炸彈就足以將梵蒂岡從地球上抹去；而電影《星際迷航》中的“企業(yè)號”飛船則使用由物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的強大推力來獲得超光速飛行速度。
在粒子物理學(xué)中，反物質(zhì)是一種由反粒子組成的特殊物質(zhì)。反粒子與粒子有著相同的質(zhì)量卻有著相反的電荷和自旋。這些反粒子結(jié)合在一起構(gòu)成反物質(zhì)。比如，正電子（電子的反物質(zhì)）和一個反質(zhì)子可以構(gòu)成一個反氫原子。
除此之外，反物質(zhì)還有很多令我們驚嘆的特征，美國費米國家實驗室和斯坦福直線加速器中心（SLAC）聯(lián)合創(chuàng)辦的《對稱》雜志網(wǎng)站，列出了我們可能不知道的關(guān)于反物質(zhì)的十件事。
正反物質(zhì)不對稱
1928年，狄拉克預(yù)言了電子的反粒子——正電子的存在。
1932年，美國科學(xué)家卡爾·安德森在研究一種來自遙遠太空的宇宙射線過程中，意外地發(fā)現(xiàn)了正電子，證實了狄拉克的預(yù)言，引起了科學(xué)界的震驚和轟動。它是偶然的還是具有普遍性？如果具有普遍性，那么其他粒子是不是都具有反粒子？于是，科學(xué)家們在探索微觀世界的研究中又增加了一個尋找目標。
1936年，安德森因發(fā)現(xiàn)正電子而獲得該年度的諾貝爾物理獎。后來其他基本粒子的反粒子也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。1955年，美國研究人員制造出了第一個反質(zhì)子，即電荷為負的質(zhì)子。
當今我們的宇宙中存在著大量正粒子組成的物質(zhì)，然而卻沒有發(fā)現(xiàn)由反粒子組成的穩(wěn)定存在的反物質(zhì)，這說明宇宙中正反物質(zhì)之間并不是嚴格對稱的，否則所有的物質(zhì)都將湮滅。
宇宙起源的標準理論認為，物質(zhì)與反物質(zhì)在大爆炸之初是成對或等量產(chǎn)生的。當物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時，會彼此湮滅，只留下能量。因此，從理論上來說，我們應(yīng)該都不存在，但事實并非如此，現(xiàn)今所遺留下來的絕大多數(shù)是正粒子，這即所謂的“正反物質(zhì)對稱性破壞（對稱破缺）”，雖然在幾個粒子對撞試驗中，都發(fā)現(xiàn)了正粒子與反粒子的衰變略有不同，但在數(shù)量上仍不足以解釋為何現(xiàn)今反物質(zhì)消失的問題，這在粒子物理學(xué)上仍是一大未解之謎，科學(xué)家們也對此提出了很多解釋。
物理學(xué)家們目前正在殫精竭慮地進行研究，希望能夠最終厘清這種不對稱，或許答案揭曉的那一天，也將開啟新的天文學(xué)時代序幕。
反物質(zhì)比想象的離你更近
少量反物質(zhì)持續(xù)不斷地以宇宙射線和高能粒子的形式，天女散花般地降落在地球上。這些反物質(zhì)粒子到達大氣層的范圍1到100個/平方米。
但其他反物質(zhì)來源其實就近在咫尺。比如，香蕉也會產(chǎn)生反物質(zhì)——它每75分鐘會釋放出一個正電子。之所以會出現(xiàn)這一現(xiàn)象，是因為香蕉包含有少量的鉀-40。鉀-40是鉀的天然同位素，會在衰變過程中釋放正電子。
人體也包含有鉀-40，這意味著人體也會釋放正電子。由于反物質(zhì)一旦同物質(zhì)接觸，就會彼此湮滅，因此，這些反物質(zhì)粒子非常短命。
身價昂貴但難以企及
盡管物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅有潛力釋放出大量能量，1克反物質(zhì)或能產(chǎn)生相當于核爆的爆炸規(guī)模，但人類目前制造出的反物質(zhì)少得可憐。
1995年，歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家在實驗室中制造出了世界上第一批反物質(zhì)——反氫原子；1996年，費米國家加速器實驗室成功制造出7個反氫原子。2000年9月18日，CERN成功制造出約5萬個低能狀態(tài)的反氫原子，這是人類首次在實驗室條件下制造出大批量的反物質(zhì)。2011年5月初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與美國科學(xué)家合作制造了迄今最重反物質(zhì)粒子——反氦4。
不過，迄今為止，費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）制造出的所有反質(zhì)子加在一起只有15納克（十億分之一克）；而CERN制造的所有反質(zhì)子加起來僅為1納克；德國的電子同步加速器（DESY）制造的正電子加起來大約2納克。即便所有這些反物質(zhì)一次全部湮滅，它們產(chǎn)生的能量還不足以燒開一杯水。
根本的問題在于制造和存儲反物質(zhì)的效率以及成本，由于目前反物質(zhì)是由加速器產(chǎn)生的高能粒子打擊固定靶產(chǎn)生反粒子，再經(jīng)減速合成的，此過程所需要的能量遠大于湮滅作用所放出的能量，且生成反物質(zhì)的速率極低：僅僅制造1克反物質(zhì)就需要大約25×1015千瓦時的能量。因此，從生產(chǎn)成本考慮，反物質(zhì)是世界上最貴的物質(zhì)。
用“阱”來保存反物質(zhì)
反物質(zhì)還難以捕捉和存儲。因為反物質(zhì)只要遇到正物質(zhì)立刻就會湮滅爆炸，所以我們無法使用任何由正物質(zhì)制造的容器來存放它，必須為它們建造特殊的“家園”。
帶電的反物質(zhì)粒子，比如正電子和反質(zhì)子能被保存在彭寧離子阱（Penning traps）內(nèi)。這些設(shè)備可以被看成是小型加速器，依靠磁場和電場讓粒子不與阱壁碰撞，使其呈螺旋形運動。據(jù)悉，目前，美國國家航空航天局（NASA）和賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)能用彭寧離子阱存放1010個反質(zhì)子一個星期。但彭寧離子阱對反氫原子等并不起作用，因為，反氫原子不帶電，無法被電場“鎖住”。相反，它們被保存在俗稱的“亞普阱”內(nèi)。
其實，地球的磁場也類似某類反物質(zhì)阱。2011年，意大利一個科學(xué)團隊利用一座宇宙射線探測器成功在范艾倫輻射帶發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子帶，存在區(qū)域距離地球表面350至600公里，這一研究證實了地球磁場能“捕獲”反質(zhì)子的理論。
反物質(zhì)可能向上飛
愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，重力對任何物質(zhì)都是同等作用的；標準模型理論也預(yù)言，引力對物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該產(chǎn)生同樣的影響。那么重力的作用會使反物質(zhì)向下落還是向上飛？如果反物質(zhì)的行為是完全不同的，它們是否會顛覆現(xiàn)有的物理學(xué)理論呢？CERN正在進行的“神盾（AEGIS）”實驗、“反氫激光物理裝置（ALPHA）”實驗等都在試圖發(fā)現(xiàn)這一點。
當然，觀察引力對反物質(zhì)的影響并不像看到蘋果從樹上掉下來那么容易。這些實驗需要將反物質(zhì)保存在一個阱內(nèi)或通過讓其冷卻到絕對零度之上的溫度從而讓其降速，才能更好地對其進行觀察。而且，因為引力是最微弱的基本力，物理學(xué)家們必須在這些實驗中使用中性的反物質(zhì)粒子，來預(yù)防更強大電場產(chǎn)生的干擾。
粒子減速器讓反物質(zhì)放慢腳步
對于粒子加速器，我們很多人都已經(jīng)耳熟能詳，但你知道還存在粒子減速器嗎？CERN就有一臺名為“反質(zhì)子減速器（Antiproton Decelerator）”的設(shè)備。2000年8月10日，CERN宣布這臺反質(zhì)子減速器投入使用。
這臺反質(zhì)子減速器是一個圓形混凝土盒，周長188m，耗資1150萬美元。它利用磁場將高能反質(zhì)子和正電子冷卻、減速和聚積，最終在電磁場束縛下形成大量反氫原子，這些“冷”反氫原子的溫度僅比絕對零度略高幾度，為以后研究反質(zhì)子和反氫原子等粒子的特性和行為提供了可能。
2014年，CERN的“低速反質(zhì)子原子光譜和碰撞（ASACUSA）”實驗團隊將正電子和由反質(zhì)子減速器產(chǎn)生的低能量反質(zhì)子混合，首次成功制造出反氫原子束。他們檢測到了一束由80個反氫原子構(gòu)成的、長達2.7米的反物質(zhì)束流。
中微子或是自己的反粒子
物質(zhì)粒子和其反粒子伙伴攜帶的電荷相反，使科學(xué)家們很容易區(qū)分彼此。但中微子幾乎沒有質(zhì)量，也很少與其他物質(zhì)相互作用，更加沒有電荷，由此，科學(xué)家們相信，中微子可能是馬約拉納費米子（與反粒子相同的粒子）。20世紀30年代，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納提出中微子可以作為自己的反粒子。
研究中微子性質(zhì)的馬約拉納探測器以及美國的EXO-200等探測實驗都旨在通過尋找一種名為無中微子雙β衰變的行為，從而確定中微子是否是馬約拉納費米子。有些放射性的原子核會同時衰變，釋放出兩個電子和兩個中微子。如果中微子是自己的反粒子，那么，它們會在雙衰變之后瞬間彼此湮滅，科學(xué)家們只會看到電子。
找到中微子或能幫助科學(xué)家們解釋反物質(zhì)—物質(zhì)不對稱。物理學(xué)家們認為，中微子有的輕、有的重。目前存在的是輕中微子，而重中微子只在大爆炸后的一瞬間存在。
反物質(zhì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域“大顯身手”
時至今日，人們發(fā)現(xiàn)和制造的反物質(zhì)粒子雖然不多，但像正電子這樣的反物質(zhì)已經(jīng)不足為奇了。雖然現(xiàn)在還不能像科幻小說里所描述的那樣制造和存儲大量反物質(zhì)，但在較小規(guī)模上反物質(zhì)已經(jīng)得到了應(yīng)用，比如，在不少醫(yī)院里使用的正電子發(fā)射計算機斷層顯像（PET）設(shè)備，正是用正電子來生成身體的高清圖像。
發(fā)射正電子的放射性同位素（比如香蕉內(nèi)發(fā)現(xiàn)的鉀-40）被附著到葡萄糖等化學(xué)物質(zhì)上，然后一起被注射入血管內(nèi)。葡萄糖在血管內(nèi)分解，釋放出正電子，正電子遇見體內(nèi)的電子并彼此湮滅。這一湮滅過程會產(chǎn)生伽馬射線，這些伽馬射線可被用來構(gòu)建身體的圖像，從而為醫(yī)生提供診斷依據(jù)。
而CERN的科學(xué)家們一直在研究將反物質(zhì)作為一種潛在治療癌癥的手段。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)能使用粒子束攻擊腫瘤，這些粒子束會在安全地穿越健康組織之后，釋放出能量。使用反質(zhì)子可以添加另一束能量。科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一技術(shù)對倉鼠的細胞有效，但目前仍然沒有在人體進行相關(guān)研究。
大爆炸后的反物質(zhì)或仍在潛伏
科學(xué)家們一直希望“揪出”大爆炸后留下的反物質(zhì)，從而解決物質(zhì)—反物質(zhì)不對稱這一謎團。
國際空間站上阿爾法磁譜儀（AMS-02）的使命就包括搜尋這些粒子。2011年搭乘“奮進號”升空的這個先進探測器，被視為可對反物質(zhì)謎案做出“結(jié)案陳詞”的科學(xué)利器。在今后的十幾年里，它將在這個太空中最理想的地方，探索反物質(zhì)以及反宇宙的存在。除此之外，它的使命還包括尋找宇宙中的暗物質(zhì)以及探索宇宙射線。
AMS-02是人類送入太空的最大磁譜儀，可以從數(shù)十億個事件中識別一個反粒子。這意味著與以前的實驗相比提高了三個數(shù)量級的精度。在這樣的精度下，探測器將以前所未有的準確度來探測宇宙射線光譜的組成。
AMS-02內(nèi)部有一個強大的永久磁鐵，帶電粒子和反粒子將在其作用下向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而讓物質(zhì)和反物質(zhì)分道揚鑣，而不會“見面”導(dǎo)致彼此湮滅。
宇宙射線碰撞一般會產(chǎn)生正電子和反質(zhì)子，但制造出一個反氦原子的可能性極低，因為這一過程需要大量能量。這意味著，即便只發(fā)現(xiàn)一個反氦核，就能成為宇宙某處存在大量反物質(zhì)的堅實證據(jù)。這些物質(zhì)是在宇宙大爆炸后產(chǎn)生的，它們的發(fā)現(xiàn)將成為認知當今宇宙的真正突破。
反物質(zhì)推動飛船仍是長路漫漫
反物質(zhì)潛在且十分誘人的用途是用來制造星際航行火箭的超級燃料。
科學(xué)家們早就發(fā)現(xiàn)，當反粒子和粒子在高能下碰撞而湮滅時，會釋放出大量能量。而這種能量的釋放率遠遠高于核彈、氫彈，大概幾克產(chǎn)生的能量就相當于一枚戰(zhàn)略核彈。正因為有這樣的性質(zhì)，在科幻小說里，反物質(zhì)經(jīng)常作為星際飛船的燃料出現(xiàn)?！缎请H迷航》系列電影中，“企業(yè)號”宇宙飛船可實現(xiàn)曲速飛行、超光速抵達宇宙中任何一個地方，仰仗的正是它的反物質(zhì)動力系統(tǒng)。
美國肯特州立大學(xué)高級研究員張偉明（音譯）和西儲學(xué)院的羅南·基南的分析結(jié)果顯示，反物質(zhì)火箭的速度完全能夠達到光速的70%。從理論上來說，用反物質(zhì)作為火箭燃料可能的，但在這項新構(gòu)想真正付諸實施之前，人們必須解決反物質(zhì)數(shù)量稀少和存儲兩大難題。
目前，科學(xué)家們?nèi)匀粵]有辦法大規(guī)模制造或收集到足夠多的反物質(zhì)，經(jīng)過近半個世紀的研究，人類現(xiàn)在也最多只能將反物質(zhì)（反氫原子）保存1000秒。據(jù)媒體報道，2011年，CERN的科學(xué)家成功將309個反氫原子保持到1000秒，是此前的5000倍。
不過，科學(xué)家就是一群“明知山有虎，偏向虎山行”的人，不少科學(xué)家正在進行反物質(zhì)的制造和存儲研究。如果未來某一天，科學(xué)家們能夠找到制造或收集大量反物質(zhì)的方法，那么，由反物質(zhì)推進的星際旅行有可能從夢想走進現(xiàn)實。
但有趣的是，當反物質(zhì)火箭真正投入使用之后，乘客們還必須開始習(xí)慣所謂的相對論效應(yīng)——當接近以光速飛行，時空并不會移動得那樣快。簡單地說，從地球到半人馬座的旅行，地球時鐘會走了大約6年，但實際感覺只過了不到4年半時間而已。
實際上，人體也會釋放反物質(zhì)。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和科學(xué)研究的不斷深入，人們對反物質(zhì)作用的認識一定會越來越深刻，反物質(zhì)世界必將為人類做出貢獻。
(責(zé)任編輯：羅伯特)
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