出品：科普中國

　　制作：張軒中

　　監(jiān)制：光明網科普事業(yè)部

　　2016年似乎真的發(fā)生了新的科學革命,，這一科學革命也許可以與20世紀初的那場誕生相對論與量子力學的科學革命相提并論。

　　標志著新科學革命到來的是LIGO發(fā)現(xiàn)引力波的事件,，以及接踵而至的人工智能“阿爾法狗”打敗圍棋九段李世石的新聞,。

　　接下來則發(fā)生了這個消息：

　　中科院上海光機所在2016年3月10日發(fā)布消息，他們制造出一種高質量的正電子源：用超強超短的激光,，有節(jié)奏地從靶子上轟出了反物質,。

　　看到這個消息，很多媒體都進行了報道,，大眾也覺得”反物質”是一個極端高大上的事物,。

　　很多科普文章集中在談“超強超短的激光”，卻沒有談“為什么用激光可以產生正電子,？”以及其背后的技術細節(jié),。這就好像我們看見一男一女談戀愛，只是一個勁得說那女子有多漂亮,，卻忘記說了為什么這個女孩子會喜歡那個男生——因此,，目前的大多數(shù)科普文章的談論都是不全面的，本文將給出補充說明,。

　　我們可以先來看一下實驗的整體原理圖：

　　激光功率有多強,？

　　如果有一個激光脈沖,，它在時間上短到飛秒(就是10的-15次方秒)級別,，那么這個時候的激光也稱為“飛秒激光”。再說說激光的功率,，1000萬億（也就是10的18次方）瓦特叫做1拍瓦（PW）,，中科院上海光機所在這次實驗中用的激光設備，其功率達到了5拍瓦,。作為對比,，我們應該知道我們家庭用的微波爐的功率是10的3次方瓦特，也就是1000瓦特左右,。

　　為什么要用氬氣,？

　　看上面的實驗原理圖我們可以發(fā)現(xiàn)，拍瓦激光一出來首先是打在氬氣上的,，這是為什么呢,？原因很簡單，主要是為了把氬氣變成一種等離子氣體,，而在等離子體中,，會產生很多自由電子，這些電子在等離子體的電場中產生“尾跡加速”,。

　　“尾跡加速”是一種先進的加速技術,，有點類似于科幻小說《三體》中的“曲率加速”的概念。

　　也就是說,，氬等離子體中的這些自由電子的能量必須被等離子體電場加速到很大,。它們就好象是被加速的汽車，要去撞墻了,。后來這些高速電子是撞在金屬靶上的,。

　　噶馬射線的光子能量有多大？

　　在實驗中我們看到,，一個噶馬射線光子在金屬靶的核電場中變成一正一負兩個電子,。根據能量守恒的原理，我們知道,，最后的正負電子,，每個的靜止能量（由愛因斯坦的質能方程E=MC2計算可知）至少要大于0.511MeV。因此,，一個噶馬射線光子的能量至少是這個0.511MeV的2倍以上,，也就是1.022 MeV以上。

　　MeV的意思是說100萬個電子伏特,相當于把一個電子用100萬伏特的高電壓加速得到的能量,。以前的非液晶的那種老式電視機里有一個電子槍,，用的也上類似的高電壓加速電子的原理。

　　等離子體中電子的典型能量有多大 ,？

　　前面已經說了,，一個噶馬射線光子的能量至少在1.022 MeV以上。

　　那么請問,，實驗中提到的噶馬射線是怎么產生的,？

　　這個噶馬射線就是一開始說的氬氣等離子體中的電子打在金屬靶的原子核上產生的，（就是前面說的加速汽車撞墻）,。原子核受到撞擊以后能量會升高,，物理上叫做被“激發(fā)”，原子核被“激發(fā)”以后,，會產生噶馬射線,。因此還是根據能量守恒，可以知道,，要產生一個能量在1.022 MeV以上的噶馬射線光子,，用來轟擊金屬靶的告訴電子的動能也必須要在1.022 MeV以上，否則“入不敷出”啊,。

　　通過電子轟擊金屬靶才能最后產生出噶馬射線,，所以，等離子體中電子的典型能量是1.022 MeV,。當然也有一些電子轟擊上去,，因為瞄準得不好，沒有“激發(fā)”金屬靶的原子核,，那么它們會象雨水掉在石板上濺起來,。

　　如何屏蔽實驗過程中的多余的噶馬射線？

　　從上面的討論中我們可以看到,，上海光機所的科學家通過研究與實驗,，用激光轟擊“氬氣+重原子核納米薄層”的辦法制造正電子是成功的。但是,，從技術上來說,，最后的實驗產物中不但有正負電子，還有大量多余的噶馬射線,。大量多余的伽馬射線會在最后的正電子譜儀中形成噪聲,，不利于監(jiān)測正電子，因此需要精心設計的正電子譜儀屏蔽伽馬噪聲,。這是本次實驗的關鍵點,，也可能是技術秘密，因此目前還無法分析出他們到底用了什么手段來處理這個問題,。

　　總結

　　此次上海光機所的反物質的獲得經歷了一個相對復雜的過程和優(yōu)化：首先將飛秒拍瓦激光裝置與高壓氬氣體靶進行相互作用,，產生大量高能電子；高能電子再和高原子序數(shù)材料靶（如銅,、金）相互作用,，產生高強度伽馬射線,；伽馬射線再和高原子序數(shù)原子核作用產生正負電子對?！罢娮幼V儀”是獲得反物質的“功臣”,，需要降低噶馬噪音。經過特殊設計的正電子譜儀,，成功解決了伽馬射線帶來的噪聲問題,，利用正負電子在磁場中的不同偏轉特性，最終成功觀測到了正電子,。

　　但是,，我們必須清醒得看到，這一個成果僅僅是一個工程上的成功,，而不是原理科學上的突破,，而且因為可以用放射性源（就是不用激光）來產生正電子，因此,，此實驗并沒有特別明顯的優(yōu)勢,，媒體大眾還是應該保持相對冷靜的態(tài)度。

　　作者簡介：

　　張軒中,，原名張華，著名科普作家,，2007年研究生畢業(yè)于北京師范大學物理系,，主要從事廣義相對論和量子宇宙學研究。

　　“科普中國”是中國科協(xié)攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌,。

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