|
反物質(zhì)淺談 (下) - 盧昌海 - << 接上篇 四. 從反粒子到反物質(zhì) 正電子成為人類發(fā)現(xiàn)的第一種反粒子并非偶然,。 因為與之相比,， 其它反粒子要么在宇宙線及天然放射源中比較稀少， 而早期加速器的能量又不足以產(chǎn)生,； 要么由于相互作用太弱而不易檢測,， 其發(fā)現(xiàn)的難度都遠遠大于正電子。 因此自正電子被發(fā)現(xiàn)之后,， 發(fā)現(xiàn)反粒子的步伐停頓了下來,， 直到二十幾年后才迎來了一輪爆發(fā)。 1955 年,， 意大利物理學家賽格雷 (Emilio G. Segrè) 與美國物理學家張伯倫 (Owen Chamberlain) “領(lǐng)銜” 發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子 (賽格雷和張伯倫獲得了 1959 年的諾貝爾物理學獎),； 次年， 美國物理學家考克 (Bruce Cork) 及其合作者又發(fā)現(xiàn)了反中子,。 至此,， 組成物質(zhì)的三種最重要粒子的反粒子都被發(fā)現(xiàn)了。 此后,， 隨著加速器能量的持續(xù)提高,， 其它基本粒子的反粒子也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)——當然， 后來的那些發(fā)現(xiàn)對物理學家們來說已毫無懸念,， 因為在理論上,， 除少數(shù)粒子與自己的反粒子相同外， 所有其它粒子都該有自己反粒子的觀念早已確立,。 不過盡管反粒子的發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生已不再稀罕， 但反粒子很容易被 “正” 粒子湮滅,， 因此如何保存它們依然是一個極大的技術(shù)難題,。 直到 20 世紀 80 年代， 物理學家們才開始掌握了保存少量反粒子的手段,。 但是要想保存更多的反粒子,， 卻又面臨另一個技術(shù)難題， 因為帶同種電荷的反粒子相互排斥,， 中性的反粒子又不穩(wěn)定,。 在這種情況下， 要想積累反粒子,， 一種可能的手段是讓反粒子象普通粒子配成原子那樣配成中性的反原子,。 但是讓那些極易湮滅,， 通常又高速運動的反粒子乖乖地組成原子又談何容易？ 這項工作直到 1995 年才由德國物理學家歐勒特 (Walter Oelert) 領(lǐng)導的實驗小組所完成,， 他們在歐洲核子中心 (CERN) 的低能反質(zhì)子環(huán) (Low Energy Antiproton Ring) 上成功地制備出了 9 個反氫原子,。 雖然只有區(qū)區(qū) 9 個， 與普通原子動輒就是幾個摩爾——一摩爾約有 6,000 萬億億個——的海量相比少得簡直不值一提,， 但這一消息 1996 年初一經(jīng)披露立即引起了世界性的轟動,。 許多大媒體用顯著標題進行了報道， 歐勒特本人也受到了媒體記者的 “圍追堵截”,， 有記者甚至試圖把他從飛機上攔截下來進行采訪,。 反氫原子的制備之所以引起媒體如此廣泛的關(guān)注， 一個很重要的原因是因為原子和分子是承載物質(zhì)物理和化學性質(zhì)的基本組元,。 從這個意義上講,， 反氫原子的成功制備是人類有史以來首次制備出了反物質(zhì)， 此前所研究的只能稱為是反粒子而不是反物質(zhì),。 對媒體來說,， 這無疑是一個極大的興奮點。 不過歐勒特制備反氫原子雖是歐洲核子中心有史以來最受媒體關(guān)注的新聞之一,， 但該中心的粒子物理學家們卻大都只是將之視為實驗工藝上的成就,， 有人甚至戲稱其為 “新聞實驗”。 因為從理論上講,， 由反粒子組成反原子乃是稀松平常之事,； 而從實用的角度講， 歐勒特制備的反氫原子不僅數(shù)量稀少,， 而且存在的時間也短得可憐,， 只有一億分之四秒， 距離實用無疑還差得很遠,。 歐勒特實驗成功后的第二年,， 歐洲核子中心關(guān)閉了為這一實驗及其它三十幾個實驗立下過汗馬功勞的低能反質(zhì)子環(huán)。 這個低能反質(zhì)子環(huán)在它服役的 14 年間總共產(chǎn)生了超過 100 萬億個反質(zhì)子,。 如果把這些反質(zhì)子全部當成反物質(zhì)燃料與質(zhì)子湮滅,， 它們所產(chǎn)生的能量大約可以讓一盞 100 瓦的燈泡點亮 5 分鐘[注一]。 將這點微不足道的能量與 14 年間為產(chǎn)生這些反質(zhì)子而消耗的巨大能源相比,， 不難看到用反物質(zhì)作為能源在目前還是極度得不償失的,。 但這些技術(shù)上的困難并不妨礙人類的想象力將反物質(zhì)作為未來可能采用的一種能源。 這種能源除了具有理論上最高的轉(zhuǎn)化效率外,， 還有一個非常吸引人的優(yōu)勢,， 那就是潔凈。 我們知道,， 傳統(tǒng)的能源,， 無論是化學能還是核能,， 通常都會在使用后產(chǎn)生有害的殘留物， 比如廢氣,、 核廢料等,， 而正反物質(zhì)的湮滅卻可以將燃料徹底轉(zhuǎn)化為能量， 從而不留下任何殘留物質(zhì),， 因此它是一種理論上最潔凈的能源,。 這樣既潔凈又高效的能源不僅是科幻小說家的最愛， 對于工程和軍事領(lǐng)域來說也有著無窮的魅力,。 比如早在 20 世紀中葉,， 美國氫彈之父泰勒 (Edward Teller) 和蘇聯(lián)氫彈之父薩哈洛夫 (Andrei Sakharov) 就各自提出過制造反物質(zhì)武器的可能性。 在美蘇冷戰(zhàn)的后期,， 伴隨 “星球大戰(zhàn)” 計劃的展開,， 美國軍方開始了對反物質(zhì)武器的研究。 不過,， 反物質(zhì)武器的制造除了有上面提到的困難外,， 還會面臨一個意想不到的難題， 那就是正反物質(zhì)相互接觸時,， 因湮滅而產(chǎn)生的輻射壓會將正反物質(zhì)劇烈推開,， 從而急劇減緩能量釋放的速度。 這種效應的一個 “日常生活版” 很多人也許早已見過,， 那就是： 將一滴水滴在熱鍋上,， 水會漸漸蒸發(fā)， 一般來說,， 鍋越熱,， 蒸發(fā)就越快， 可是當鍋熱到一定程度后,， 水滴的蒸發(fā)狀況會發(fā)生顯著變化,， 它會在熱鍋上四處移動甚至跳躍， 蒸發(fā)速度則反而大為減緩,。 這種有趣的現(xiàn)象早在兩百五十多年前就被一位名叫雷登弗羅斯特 (Johann Gottlob Leidenfrost) 的德國醫(yī)生注意到了,， 因而被稱為雷登弗羅斯特效應 (Leidenfrost effect)。 雷登弗羅斯特效應的物理機制是： 當鍋熱到一定程度后,， 水滴劇烈氣化產(chǎn)生的蒸汽會在水滴與鍋之間產(chǎn)生一層蒸汽膜， 阻隔兩者的進一步接觸,， 從而急劇減緩水滴的蒸發(fā)速度,。 這種機制也適用于正反物質(zhì)的接觸， 只是蒸汽膜換成輻射層而已,。 雷登弗羅斯特效應對反物質(zhì)武器的制造是一種障礙,。 不過,， 隨著前蘇聯(lián)的解體和冷戰(zhàn)的落幕， 近乎軍事 “大躍進” 的反物質(zhì)武器研究本就很快遭到了放棄,。 到目前為止,， 除了基礎(chǔ)物理研究外， 反物質(zhì)的主要應用領(lǐng)域是在醫(yī)學影像方面,。 由于技術(shù)水平及反物質(zhì)數(shù)量的稀少所限,， 多數(shù)其他類型的反物質(zhì)應用起碼在目前還是很不現(xiàn)實的。 不過,， 讓想象力自由馳騁的話,， 未來的希望總是有的。 比方說,， 假如宇宙中存在足夠規(guī)模的天然反物質(zhì)源,， 情況就將有所不同， 因為那樣我們就不必為制備反物質(zhì)而費心了——雖然高效而安全地收集和保存反物質(zhì)仍將是極具難度的挑戰(zhàn),。 這就給科學家們提出了一個很大的問題,， 那就是： 宇宙中有可能存在大規(guī)模的天然反物質(zhì)源嗎？ 五. 宇宙的主人和客人 物理學家們曾經(jīng)對這一問題作出過肯定的猜測,。 狄拉克在他的諾貝爾演講中就曾表示,， 如果正反物質(zhì)是完全對稱的， 那么宇宙中完全有可能存在由反物質(zhì)組成的星球,。 如果將這種猜測發(fā)揮一下,， 那么我們還可以設想宇宙中不僅存在由反物質(zhì)組成的星球， 甚至有可能存在由反物質(zhì)組成的生物,。 另一方面,， 在宇宙大爆炸初期的極高溫條件下， 正反物質(zhì)的產(chǎn)生應該是同等可能的,， 從這個角度講似乎也有理由預期宇宙中存在大量的反物質(zhì),， 甚至在數(shù)量上與物質(zhì)等量齊觀。 但隨著理論和觀測的逐步深入,， 這些初看起來不無合理性的猜測漸漸冷了下來,。 首先可以明確的一點是： 由于反物質(zhì)與物質(zhì)會相互湮滅， 因此在我們所生活的這顆小小的藍色星球上,， 象發(fā)現(xiàn)煤礦或鈾礦那樣發(fā)現(xiàn) “反物質(zhì)礦” 是完全不可能的,。 不僅如此， 反物質(zhì)在整個太陽系中的存在也是微乎其微的,， 因為否則的話,， 由太陽發(fā)出， 被稱為太陽風的粒子流與反物質(zhì)之間的湮滅早就應該被發(fā)現(xiàn)了,。 再往遠處看,， 情況也沒有實質(zhì)的改變,， 雖然宇宙射線中存在一定數(shù)量的反粒子， 有些地方甚至存在反粒子源,， 但那些反粒子大都來自普通物質(zhì)所參與的高能物理過程,。 迄今為止并無任何確鑿的證據(jù)， 表明宇宙中可能存在反物質(zhì)星球,， 或任何其它大范圍的反物質(zhì)分布,。 事實上， 不僅沒有確鑿證據(jù)表明宇宙中存在大范圍的反物質(zhì)分布,， 相反,， 卻有不少證據(jù)表明大范圍的反物質(zhì)分布不太可能存在。 這種證據(jù)之一來自于宇宙中重子——主要是質(zhì)子和中子——數(shù)量和光子數(shù)量的比值,。 我們知道,， 極早期宇宙中充斥著各種基本粒子， 它們隨時被高能物理過程所產(chǎn)生,， 也隨時相互湮滅,。 當宇宙的溫度逐漸降低時， 粒子的產(chǎn)生過程開始受到抑制,， 因為它們所需的能量越來越難以達到,。 對于重子和反重子來說， 這大致發(fā)生在宇宙溫度為 10 萬億度的時候,。 在這個溫度以下,， 湮滅過程起到主導作用， 重子與反重子很快因為彼此湮滅而轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾踊蚱渌p粒子,。 在那樣的過程中重子與反重子變得越來越少,， 直至其密度低到連湮滅過程也無法有效進行為止， 那時仍殘留的重子就組成了我們今天所生活的物質(zhì)世界 (由此可見我們的物質(zhì)世界是多么地來之不易),。 這種過程所導致的一個顯而易見的后果,， 就是今天宇宙中的重子數(shù)遠遠少于光子數(shù)， 而且早期宇宙中的重子與反重子越對稱,， 這種湮滅過程就會進行得越徹底,， 今天宇宙中的重子數(shù)相對于光子數(shù)也就會越少。 觀測表明,， 今天宇宙中的重子數(shù)與光子數(shù)的比值大約為一比十億 (10-9),。 這雖然已經(jīng)是一個很小的比例， 但理論計算表明,， 如果湮滅過程開始起主導作用時宇宙中的重子與反重子是完全對稱的話,， 這個比值還要小得多， 大約會是一比一百億億 (10-18)。 因此,， 我們所觀測到的重子數(shù)與光子數(shù)的比值是一個很有力的證據(jù)， 它表明早期宇宙中的重子與反重子是不對稱的,， 而我們賴以生存的整個物質(zhì)世界正是這種不對稱的產(chǎn)物,， 是一個反物質(zhì)極為稀少的宇宙。 有讀者可能會問,， 是否有可能出現(xiàn)這樣的情況,， 即早期宇宙中的重子與反重子完全對稱， 只不過由于某種原因而彼此分離了開來,， 從而沒有發(fā)生有效的相互湮滅,？ 如果是這樣， 那就既可以保持物質(zhì)與反物質(zhì)之間的對稱性,， 又可以解釋為什么我們觀測到的重子數(shù)與光子數(shù)的比值遠比由對稱性所預期的一比一百億億來得高,。 應該說， 這是一個很不錯的問題,， 事實上,， 物理學家們曾經(jīng)考慮過這樣的可能性。 但這種猜測有兩個致命的弱點： 一是沒有任何已知的物理過程可以將隨機產(chǎn)生的重子和反重子有效地加以分離,； 二是如果早期宇宙中真的存在過這種正反物質(zhì)分離的情況,， 那么正反物質(zhì)的湮滅在空間分布上將是高度非均勻的， 這應該會在今天的宇宙微波背景輻射中留下遺跡,。 這樣的遺跡并未被發(fā)現(xiàn),， 因此這種可能性基本上可以被排除了。 因此,， 無論觀測還是理論都表明： 我們今天所生活的宇宙是一個正反物質(zhì)不對稱的宇宙,， 物質(zhì)是這個宇宙的主人， 反物質(zhì)只是稀客,。 六. 惱人的不對稱之謎 既然我們所生活的宇宙是一個正反物質(zhì)不對稱的宇宙,， 那么一個很自然的問題就產(chǎn)生了， 那就是為什么會出現(xiàn)這種不對稱,？ 對此,， 科學家們曾經(jīng)有過兩類不同的看法。 其中第一類看法認為正反物質(zhì)的不對稱是由初始條件決定的,， 或者說是 “先天” 造就的,。 顯然， 這類看法比較消極,， 幾乎等于是回避問題,。 令人欣慰的是， 這種 “偷懶” 的看法在暴脹宇宙論出現(xiàn)后受到了沉重的打擊。 因為按照暴脹宇宙論,， 宇宙創(chuàng)生之初即便存在正反物質(zhì)的不對稱,， 也會在暴脹過程中被稀釋得微乎其微。 因此初始條件并不能對今天觀測到的正反物質(zhì)的不對稱給出令人滿意的解釋,。 既然初始條件不足以解釋正反物質(zhì)的不對稱,， 那我們就只能寄希望于宇宙創(chuàng)生之后所發(fā)生的具體物理過程了， 這就是第二類看法,。 這類看法認為我們今天觀測到的正反物質(zhì)的不對稱是由某些特定類型的物理過程產(chǎn)生的,。 那么， 究竟什么樣的物理過程才能造成正反物質(zhì)的不對稱呢,？ 早在 1967 年,， 蘇聯(lián)氫彈之父薩哈洛夫就提出了那樣的物理過程所需滿足的三個條件：
這些條件后來被稱為薩哈洛夫條件 (Sakharov conditions)， 是任何能夠產(chǎn)生正反物質(zhì)不對稱的物理過程或物理理論所必須滿足的,。 薩哈洛夫條件中的第一條提到的費米子是組成物質(zhì)的基本粒子,， 比如電子、 質(zhì)子和中子 (進一步細分的話,， 質(zhì)子和中子是由夸克組成的,， 而夸克也是費米子)。 所有費米子的費米子數(shù)都是正的,， 而反費米子的費米子數(shù)則是負的,。 如果宇宙中的正反物質(zhì)完全對稱， 那么總費米子數(shù)將是零,。 由于我們的宇宙中普通物質(zhì)遠比反物質(zhì)多,， 因此總費米子數(shù)是正的。 任何物理過程或物理理論要想讓宇宙從正反物質(zhì)完全對稱 (從而總費米子數(shù)為零) 的狀態(tài)演化到如今這個費米子數(shù)為正的狀態(tài),， 就必須改變總費米子數(shù),， 從而必須破壞費米子數(shù)守恒。 薩哈洛夫條件中的第二條提到的 C 和 CP 對稱性分別是基本粒子層次上的正反粒子對稱性及正反粒子與宇稱聯(lián)合對稱性,。 其中正反粒子對稱性要求將一個物理過程中的所有粒子替換成相應的反粒子時,， 過程發(fā)生的幾率不變。 正反粒子與宇稱聯(lián)合對稱性則是指在上述替換的同時再將物理過程換成它的鏡像 (好比是透過一面反射鏡去看它) 時,， 過程發(fā)生的幾率也不變,。 這兩個對稱性之所以必須被破壞， 是因為否則的話,， 任何可以造成物質(zhì)多于反物質(zhì)的物理過程都會伴隨一個與它同樣可能的,、 造成反物質(zhì)多于物質(zhì)的過程 (即上述替換過程),， 這樣兩類過程的效果將會相互抵消。 最后,， 薩哈洛夫條件中的第三條之所以必須滿足,， 是因為否則的話， 任何可以造成物質(zhì)多于反物質(zhì)的物理過程都將與處在熱平衡的逆過程相互抵消,。 這三個條件雖被稱為薩哈洛夫條件,， 不過薩哈洛夫本人在其長度只有三頁的短文中其實并未如此鮮明地表述過這三個條件， 這些條件是后人依據(jù)他的思路所歸納及重新表述的,。 在這三個條件的基礎(chǔ)上， 物理學家們提出了許多理論模型,， 試圖對正反物質(zhì)不對稱的起源作出定量解釋,。 這些模型從相對簡單的電弱統(tǒng)一理論 (它是粒子物理標準模型的一部分)， 到各種各樣的大統(tǒng)一理論,， 以及標準模型的超對稱推廣,， 種類繁多、 應有盡有,。 但迄今為止,， 它們各自都存在一定的缺陷， 或是結(jié)果的數(shù)量級不對,， 或是求解的困難度太大,、 或是過于特設、 或是過于任意,， 尚無一個令人滿意,。 不過盡管如此， 現(xiàn)代物理為正反物質(zhì)的不對稱找到一個合理解釋的前景看來是并不悲觀的,。 限于篇幅,， 我們有關(guān)反物質(zhì)的介紹到這里就要結(jié)束了， 雖然自人類發(fā)現(xiàn)反粒子迄今已有大半個世紀,， 但在理解物質(zhì)與反物質(zhì)的關(guān)系上還存在許多待解之謎,。 除了宇宙學尺度上正反物質(zhì)的不對稱外， 在微觀尺度上正反粒子也存在著令人困惑的不對稱,。 物理學家們曾經(jīng)認為,， 如果我們把一個微觀物理過程中的所有粒子都替換成相應的反粒子， 并且透過一面鏡子去看它,， 那么我們所看到的新過程將與原過程有著相同的發(fā)生幾率,。 這種對稱性就是我們介紹薩哈洛夫條件時提到的 CP 對稱性。 由于這種對稱性,， 反物質(zhì)有時也被稱為鏡像物質(zhì),。 但令人困惑的是， 這一對稱性既非完全成立， 也非完全不成立,， 而是非常接近成立[注二],。 大自然為什么要讓這面特殊的鏡子如此接近完美卻又不讓它真正完美呢？ 我們不知道,。 反物質(zhì)是宇宙中的稀客,， 但這稀客是從相對意義上講的， 宇宙中反物質(zhì)的絕對數(shù)量依然是極其龐大的,， 足以為科幻小說留下巨大的馳騁空間,， 這是值得慶幸的。 只不過,， 反物質(zhì)星球的存在看來是極不可能的,， 因為沒有任何天然的物理過程能夠讓反物質(zhì)有效地匯集起來， 并在這一過程中免遭普通物質(zhì)的 “致命騷擾”,。 而反物質(zhì)生物的存在則比反物質(zhì)星球更加不可能得多,， 因為即便存在反物質(zhì)星球， 在那種星球上要想演化出生物來也是難以想象的,。 我們知道,， 即便在距離太陽系的形成已有約 50 億年、 太陽系空間已相當 “干凈” 的今天,， 地球每天仍會受到有上千萬次的隕石撞擊 (這些隕石絕大多數(shù)在大氣層中燒毀,， 只有少數(shù)落到地上， 因此我們不必擔心它們會恰好砸在我們頭上),， 這些隕石的總質(zhì)量約有幾噸,。 這樣的質(zhì)量相對于龐大的地球來說無疑是微乎其微的， 但同樣的情形如果發(fā)生在一顆反物質(zhì)星球上,， 那么這幾噸的隕石 (普通物質(zhì)) 與星球上的反物質(zhì)湮滅所釋放的能量將相當于上百萬顆廣島原子彈爆炸所釋放的能量[注三],。 要在一個每天被上百萬顆原子彈轟擊的星球上產(chǎn)生生物， 這恐怕是最高級的想象力也難以勝任的,。 因此,， 如果有朝一日我們與某種外星球的高等生物建立了聯(lián)系， 我們可以大大方方地伸出手去和他們相握 (如果握手對他們來說也代表友善的話),， 而不必擔心大家會在這樣的親密接觸中相互湮滅[注四],。
參考文獻
二零零七年五月四日寫于紐約 站長近期發(fā)表的作品
本文的討論期限已過， 如果您仍想討論本文,， >> 查閱目前尚在討論期限內(nèi)的文章 << |
|
|
來自： 物理網(wǎng)文 > 《盧昌海2015.3》
