反物质四大谜团揭开:如何制造反物质?制成武器威力远超核弹?

北京时间4月30日消息,据英国《新科学家》杂志报道,不久前我们听说欧洲粒子物理研究所利用大型强子对撞机产生可摧毁行星的黑洞。现在根据丹布朗(Dan Brown)的巨著拍摄的一部电影,为我们提供了另一种假设在瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室生成的危险物反物质,用这种物质制成的武器具有非凡的破坏力。

虽然布朗书中的反物质是虚构的,但是这种物质本身并不是虚构的。我们在宇宙射线里就能看到它的迹象,科学家通过在世界各地的粒子加速器里进行高能撞击,制成这种物质。医院采用的正电子发射体层显像技术,也利用能发射出反物质粒子的放射性分子成像。关于反物质,布朗的一种观点是对的:如果你想找到更多反物质,你最好前往欧洲粒子物理研究所。

如果你要列举这个标准模型(物理学家对物质和它的相互作用进行的成功描述)的缺陷,我们不能存在的预言很有可能是合适之选。据这个理论说,宇宙大爆炸产生了相同数量的物质和反物质。它们可能在宇宙形成片刻后就相互消灭了对方。然而事实证明,我们确实存在。而且行星、恒星和星系也真实存在;我们看到的一切由物质构成的东西都真实存在。

有两种看似可行的方法可用来解决这种有关存在问题的谜。第一种是,物质和反物质的物理性质可能存在轻微差别,这使早期的宇宙充满过多的物质。虽然理论预言反物质世界可以映出我们的完美身形,但是试验证实,我们在镜子中发现一些可疑的擦痕。1998年,欧洲粒子物理研究所进行的实验显示,一种特殊粒子,即K 中介子时不时转变成反粒子,故而使物质和反物质之间失去平衡。

随后科学家利用加拿大和日本的粒子加速器进行试验,结果在2001年发现类似现象,不过这次他们在更重的K 中介子同位素B介子之间发现更加不均衡的现象。今年迟些时候一旦欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机开始恢复运行,它进行的大型强子对撞机B介子试验,将利用一台4500公吨重的探测器寻找数十亿个B介子,以便更加准确的揭开它们隐含的秘密。

但是大型强子对撞机B介子试验可能不会为我们提供揭开反物质消失之谜的答案。牛津大学粒子物理学家弗兰克克洛斯说:这种影响似乎太小,根本无法解释物质和反物质间存在的巨大失衡现象。解释物质之谜的第二个答案,是在宇宙形成后的数秒里,物质和反物质的湮灭并不充分:物质和反物质在相互消灭对方的过程中设法逃逸出来。反物质可能就隐藏在宇宙的镜像区,那里可能存在反恒星、反星系,甚至是反生命。

克洛斯说:这不是一个非常愚蠢的想法。他指出,当一块热磁体变凉时,个体原子会迫使它们周围的原子与磁场结合,产生指向不同方向的磁域(domains of magnetism)。宇宙在大爆炸后的冷却过程中,可能也出现了类似现象。他说:最初可能物质多一些,或者反物质多一些。随着时间推移,这种微小差异扩展到宇宙的各个区域。

如果这种反物质域确实存在,它们一定不在我们附近。恒星和反恒星交界处发生的物质湮灭,可能产生了高能伽马射线。如果一个反星系与正常星系相撞,反物质所占的比例将会非常大。我们还从没看到过这种迹象,但是迄今为止还有很多宇宙区域我们都没看到过,这些区域距离我们非常遥远,我们可能永远都无法看到它们。

如果发现反氦或者其他反原子比重氢更重,这可能是证明反宇宙的证据。反恒星可能通过核子融合,构成反原子,这个过程跟普通恒星合并成常规原子一样。价值15亿美元的阿尔法磁谱仪的设计目的,是通过宇宙射线寻找这种迹象。现在它还静静的呆在地球上,等待着飞往国际空间站,不过该磁谱仪有可能会搭乘美国宇航局在2010年或2011年实施的最后一项航天飞机发射任务,飞往太空。

如果确实想破解反物质的诸多谜团,我们首先必须要努力解决反物质自身问题。说来容易做起来难。你究竟怎样去确定一种在触及任何东西的瞬间消失不见的物质?欧洲核子研究中心的两个实验ATRAP和ALPHA正试图解决这道难题。

实验的目标是制造数量足够多、长度足够长的反氢,用以对其释放的光谱同正常氢释放的光谱进行对比。即便是两种光谱之间最轻微的差异也会改变标准模型。反氢可能是结构最为简单的反原子,是反质子和正电子结合产生的。

实验要求在几乎完美的真空状态下进行,因为即便遭遇一丁点空气也会造成反物质瞬间灰飞烟灭,所以必须找到捕获反物质的途径:并非在常规容器中,而是利用电场和磁场。ATRAP及ATHENA(ALPHA实验的先驱)在2002年成功隔离反氢,将来自粒子加速器的反质子同来自磁捕集器钠放射性来源的正电子结合在一起。

不幸的是,这种成功稍纵即逝:磁捕集器仅仅对反质子和正电子这样的带电粒子起作用,但反氢不带电,所以,它可以从重重包围中脱身。

ATRAP和ALPHA实验目前仍在解决这个问题。欧洲核子研究中心物理学家罗尔夫兰杜亚(Rolf Landua)说:捕获反氢原子是当前科学的尖端领域,是一个挑战。兰杜亚是好莱坞影片《天使与魔鬼》(Angels and Demons)的科学顾问,影片中顶尖物理学家莱昂纳多威特拉(Leonardo Vetra)这个人物就是以兰杜亚为灵感创作的。

他说:迄今为止,没人成功做到这一步,但我相信我们可以。尽管如此,兰杜亚说,原著中所描述的用便携式反氢捕获器围拢反物质的想法距离现实还十分遥远。

谜团三:重力对反物质有何影响?

我们认为,重力对所有物质的作用方式相同。但对反物质又如何?欧洲核子研究中心实施的AEGIS实验目的就是寻找到这个问题的答案。重力是一种相对微弱的力量,所以,AEGIS实验将利用不带电的粒子,以避免电磁力湮没重力效应。

AEGIS实验首先创建高度不稳定的一对对电子和正电子,即电子偶素(一个负电子和一个正电子组成的类原子系统),接着用激光器激活它们避免其过快湮灭。成群结队的反质子会将一对对电子偶素撕裂,盗取它们的正电子用以创建不带电的反氢原子。

这些水平穿过两组裂口的反原子脉冲会在探测器屏幕上产生精致的冲击图案和阴影。通过观测这个图案位置的变化,可以测算反物质承受重力的大小和方位。AEGIS项目发言人迈克尔多塞(Michael Doser)表示,这是一个聪明的想法,但问题的症结在于细节。他说:从没有人像这样制造受控制的电子偶素,从没有人在像这样的环境下,使用激光器生成激活电子偶素的状态,从没有人制造出像这样的反氢。

如果研究人员最终获得成功,那么也值得他们付出这么大努力。倘若重力确实对反物质产生不同的影响,我们借此不仅可以了解到有关反物质的一些谜团,还能对现代物理学的基础理论有所了解。爱因斯坦广义相对论是当前被普遍接受的重力理论,该理论称重力对各类物质的作用相同。

同样,标准模型预测,物质和反物质几乎在所有方面都是相同的。兰杜亚说:如果发现事实与理论不相符合,那么我们就会发现极为重要的东西。多塞则说:我认为,研究结果不会与以往有什么不同之处,我赌一箱香槟。但我内心确实希望自己赌输了。

眼下,物理学家应对反氢问题上面临重重困难。反氢可能是结构最为简单的反原子。我们能否期待他们制造出反氦,接着经由反碳推理出有机反分子以及整个元素反周期表吗?问题是,每个反原子每次必须建立在一个亚原子的反粒子之上。

例如,如果你希望制造反氘像反氢一样,但增加了反中性子首先必须生成反中性子。反中性子是不带电的,令其不可能以常规方式与电磁场相互作用,所以,你必须生成大量反中性子,并希望在你制造的大约百万个反中性子当中,碰巧有一个出现在合适的位置,最终生成反氘原子。

研究反物质特性的AEGIS实验发言人多塞说:你每多增加一个反中性子或反质子,你会丧失大好机会。尽管迄今没人破解这道难题,但欧洲核子研究中心的实验正在充满利用一条捷径,至少可以制造反氢以外的物质。ASACUSA已经制造出反质子氦的原子,在实验中,一个绕氦核轨道运转的电子被反质子所取代。

通过研究这种混合物质-反物质原子释放的光谱,研究人员可以极为精确地测算出反质子的电特性和磁特性,同时还能同常规质子的电特性和磁特性进行对比。

至于我们制造结构更为复杂的物质的机会,牛津大学物理学家弗兰克克劳斯(Frank Close)充满悲观,他说实现这一愿望用时十亿年恐怕也不为过。克劳斯说:这取决于人类能在地球上存在多久。发现反周期表中更为奇特的元素的最佳方法就是仰望天空,希望某些反恒星(antistar)碰巧出现在我们面前。

反物质是一种致命武器,威力强大,不可阻挡。一旦将其从欧洲核子研究中心的充电平台上移走,灯光会令人眩目,周围会响起雷鸣般的咆哮声,它们会自动焚毁。有人提出,人类可能有朝一日利用反物质的破坏力去摧毁整个世界,这本身就是一种奇异的想法,也是好莱坞科幻大片《天使与魔鬼》的情节主线。在影片中,仅仅含有0.25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去。

欧洲核子研究中心物理学家兰杜亚表示,我们不要杞人忧天。科学家有充分理由相信上述一幕绝不会在不久的将来上演。兰杜亚说:如果你将欧洲核子研究中心在过去30多年反物理实验中生成的所有反物质累积起来,如果你无比幸运,你或许会得到一亿分之一克反物质。如果它在你指尖爆炸,除了像点燃一根火柴以外,不会造成其它任何危险。接受PET的患者血液中具有天然放射性原子,它们释放出数千万个的正电子不会造成任何负面影响。

即便物理学家可以制造出炸弹所需要的足够多反物质,但费用将会是个天文数字。兰杜亚说:1克反物质的制造成本可能高达1000亿美元。这可能超出贝拉克奥巴马在很多领域投资的资金。牛津大学物理学家克罗斯还提到了时间问题。他说:我们需要100亿年才能生成去制造丹布朗(《天使与魔鬼》一书的作者)所说炸弹的足够多反物质。

这听上去让人松口气,不幸的是,有人又希望将反物质作为一种清洁、绿色能源进行开发。克劳斯说:如果大自然在过去150亿年间给我们生成足够多的反物质,也许存在这种可能性。兰杜亚说,问题是,我们每次只能用它们造成一个反原子,这种办法消耗的能量将远远超过我们从中获得的能量前者可能是后者的十亿倍。

然而,这并不表示我们不能以各种新途径利用反物质。2007年,美国加州大学河滨分校两位物理学家戴维卡西迪(David Cassidy)和艾伦米尔斯制造出由至少一个电子偶素原子构成的第一个分子。电子偶素原子很快湮灭变成高能伽马射线,所以,如果将大量电子偶素原子结合,也许这能够令其湮灭,同时释放出光线,造出巨大的高能伽马射线湮没激光器,可被用于对小到原子核这样的物体拍照,或引发核反应堆中的核聚变。

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