電影《星際迷航》中的反物質星艦“企業號”

中微子或是自己的反粒子

研究反物質被認為是揭開宇宙起源之謎的重要途徑

歐洲大型強子對撞機

反物質火箭假想圖

除了我們常見的物質外，宇宙中還存在著反物質。自1928年英國物理學家保羅·狄拉克預言反物質存在以來，反物質一直是科學家眼中的“香餑餑”。科學家們認為，反物質研究在高能物理、宇宙演化等方面具有重要意義，深入研究反物質，是解開宇宙起源之謎的重要環節。

反物質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“企業號”飛船則使用由物質—反物質湮滅產生的強大推力來獲得超光速飛行速度。

在粒子物理學中，反物質是一種由反粒子組成的特殊物質。反粒子與粒子有著相同的質量，卻有著相反的電荷和自旋。這些反粒子結合在一起構成反物質。比如，正電子（電子的反物質）和一個反質子可以構成一個反氫原子。

除此之外，反物質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）聯合創辦的《對稱》雜志網站，列出了我們可能不知道的關于反物質的十件事。

正反物質不對稱

1928年，狄拉克預言了電子的反粒子——正電子的存在。

1932年，美國科學家卡爾·安德森在研究一種來自遙遠太空的宇宙射線過程中，意外地發現了正電子，證實了狄拉克的預言，引起了科學界的震驚和轟動。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，安德森因發現正電子而獲得該年度的諾貝爾物理獎。后來其它基本粒子的反粒子也陸續被發現。1955年，美國研究人員制造出了第一個反質子，即電荷為負的質子。

當今我們的宇宙中存在著大量正粒子組成的物質，然而卻沒有發現由反粒子組成的穩定存在的反物質，這說明宇宙中正反物質之間并不是嚴格對稱的，否則所有的物質都將湮滅。

宇宙起源的標準理論認為，物質與反物質在大爆炸之初是成對或等量產生的。當物質和反物質相遇時，會彼此湮滅，只留下能量。因此，從理論上來說，我們應該都不存在，但事實并非如此，現今所遺留下來的絕大多數是正粒子，這即所謂的“正反物質對稱性破壞（對稱破缺）”。雖然在幾個粒子對撞試驗中，都發現了正粒子與反粒子的衰變略有不同，但在數量上仍不足以解釋為何現今反物質消失的問題。這在粒子物理學上仍是一大未解之謎，科學家們也對此提出了很多解釋。

物理學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時代序幕。

反物質比想象的離你更近

少量反物質持續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。這些反物質粒子到達大氣層的范圍1到100個/平方米。

但其它的反物質來源其實就近在咫尺。比如，香蕉也會產生反物質——它每75分鐘會釋放出一個正電子。之所以會出現這一現象，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。由于反物質一旦同物質接觸，就會彼此湮滅，因此，這些反物質粒子非常短命。

身價昂貴但難以企及

盡管物質—反物質湮滅有潛力釋放出大量能量，1克反物質或能產生相當于核爆的爆炸規模，但人類目前制造出的反物質少得可憐。

1995年，歐洲核子研究中心（CERN）的科學家在實驗室中制造出了世界上第一批反物質——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。2011年5月初，中國科學技術大學與美國科學家合作制造了迄今最重反物質粒子——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一次全部湮滅，它們產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的效率以及成本。由于目前反物質是由加速器產生的高能粒子打擊固定靶產生反粒子，再經減速合成的，此過程所需要的能量遠大于湮滅作用所放出的能量，且生成反物質的速率極低：僅僅制造1克反物質就需要大約25×1015千瓦時的能量。因此，從生產成本考慮，反物質是世界上最貴的物質。

用“阱”來保存反物質

反物質還難以捕捉和存儲。因為反物質只要遇到正物質立刻就會湮滅爆炸，所以我們無法使用任何由正物質制造的容器來存放它，必須為它們建造特殊的“家園”。

帶電的反物質粒子，比如正電子和反質子能被保存在彭寧離子阱（Penning traps）內。這些設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。據悉，目前，美國國家航空航天局（NASA）和賓夕法尼亞州立大學的科學家們已經能用彭寧離子阱存放1010個反質子一個星期。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。

其實，地球的磁場也類似某類反物質阱。2011年，意大利一個科學團隊利用一座宇宙射線探測器成功在范艾倫輻射帶發現了反質子帶，存在區域距離地球表面350至600公里，這一研究證實了地球磁場能“捕獲”反質子的理論。

反物質可能向上飛

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，重力對任何物質都是同等作用的；標準模型理論也預言，引力對物質和反物質應該產生同樣的影響。那么重力的作用會使反物質向下落還是向上飛？如果反物質的行為是完全不同的，它們是否會顛覆現有的物理學理論呢？CERN正在進行的“神盾（AEGIS）”實驗、“反氫激光物理裝置（ALPHA）”實驗等都在試圖發現這一點。

當然，觀察引力對反物質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保存在一個阱內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，物理學家們必須在這些實驗中使用中性的反物質粒子，來預防更強大電場產生的干擾。

粒子減速器讓反物質放慢腳步

對于粒子加速器，我們很多人都已經耳熟能詳，但你知道還存在粒子減速器嗎？CERN就有一臺名為“反質子減速器（Antiproton Decelerator）”的設備。2000年8月10日，CERN宣布這臺反質子減速器投入使用。

這臺反質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“低速反質子原子光譜和碰撞（ASACUSA）”實驗團隊將正電子和由反質子減速器產生的低能量反質子混合，首次成功制造出反氫原子束。他們檢測到了一束由80個反氫原子構成的、長達2.7米的反物質束流。

中微子或是自己的反粒子

物質粒子和其反粒子伙伴攜帶的電荷相反，使科學家們很容易區分彼此。但中微子幾乎沒有質量，也很少與其他物質相互作用，更加沒有電荷，由此，科學家們相信，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，科學家們只會看到電子。

找到中微子或能幫助科學家們解釋反物質—物質不對稱。物理學家們認為，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。

反物質在醫學領域“大顯身手”

時至今日，人們發現和制造的反物質粒子雖然不多，但像正電子這樣的反物質已經不足為奇了。雖然現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，但在較小規模上反物質已經得到了應用，比如，在不少醫院里使用的正電子發射計算機斷層顯像（PET）設備，正是用正電子來生成身體的高清圖像。

發射正電子的放射性同位素（比如香蕉內發現的鉀-40）被附著到葡萄糖等化學物質上，然后一起被注射入血管內。葡萄糖在血管內分解，釋放出正電子，正電子遇見體內的電子并彼此湮滅。這一湮滅過程會產生伽馬射線，這些伽馬射線可被用來構建身體的圖像，從而為醫生提供診斷依據。

而CERN的科學家們一直在研究將反物質作為一種潛在治療癌癥的手段。物理學家們發現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。使用反質子可以添加另一束能量。科學家們已經發現，這一技術對倉鼠的細胞有效，但目前仍然沒有在人體進行相關研究。

大爆炸后的反物質或仍在潛伏

科學家們一直希望“揪出”大爆炸后留下的反物質，從而解決物質—反物質不對稱這一謎團。

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，被視為可對反物質謎案做出“結案陳詞”的科學利器。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，可以從數十億個事件中識別一個反粒子。這意味著它與以前的實驗相比，提高了三個數量級的精度。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，從而讓物質和反物質分道揚鑣，而不會“見面”導致彼此湮滅。

宇宙射線碰撞一般會產生正電子和反質子，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，即便只發現一個反氦核，就能成為宇宙某處存在大量反物質的堅實證據。這些物質是在宇宙大爆炸后產生的，它們的發現將成為認知當今宇宙的真正突破。

反物質推動飛船仍是長路漫漫

反物質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。

科學家們早就發現，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，大概幾克產生的能量就相當于一枚戰略核彈。正因為有這樣的性質，在科幻小說里，反物質經常作為星際飛船的燃料出現。《星際迷航》系列電影中，“企業號”宇宙飛船可實現曲速飛行、超光速抵達宇宙中任何一個地方，仰仗的正是它的反物質動力系統。

美國肯特州立大學高級研究員張偉明（音譯）和西儲學院的羅南·基南的分析結果顯示，反物質火箭的速度完全能夠達到光速的70%。從理論上來說，用反物質作為火箭燃料是可能的，但在這項新構想真正付諸實施之前，人們必須解決反物質數量稀少和存儲兩大難題。

目前，科學家們仍然沒有辦法大規模制造或收集到足夠多的反物質，經過近半個世紀的研究，人類現在也最多只能將反物質（反氫原子）保存1000秒。據媒體報道，2011年，CERN的科學家成功將309個反氫原子保持到1000秒，是此前的5000倍。

不過，科學家就是一群“明知山有虎，偏向虎山行”的人，不少科學家正在進行反物質的制造和存儲研究。如果未來某一天，科學家們能夠找到制造或收集大量反物質的方法，那么，由反物質推進的星際旅行有可能從夢想走進現實。

但有趣的是，當反物質火箭真正投入使用之后，乘客們還必須開始習慣所謂的相對論效應——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。相信隨著科學技術的不斷發展和科學研究的不斷深入，人們對反物質作用的認識一定會越來越深刻，反物質世界必將為人類做出貢獻。（記者劉霞）

人體竟能釋放奇特粒子？十件事讓你認識反物質

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