[導(dǎo)讀]除了我們常見的物質(zhì)外,宇宙中還存在著反物質(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(rèn)識一定會越來越深刻,反物質(zhì)世界必將為人類做出貢獻(xiàn)。

人體也會釋放反物質(zhì)

——關(guān)于反物質(zhì)你可能不知道的十件事

電影《星際迷航》中的反物質(zhì)星艦“企業(yè)號”

中微子或是自己的反粒子

研究反物質(zhì)被認(rèn)為是揭開宇宙起源之謎的重要途徑

歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)

反物質(zhì)火箭假想圖

本報(bào)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”,。科學(xué)家們認(rèn)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(biāo)配”。比如,，在電影《達(dá)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(qiáng)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(gè)反質(zhì)子可以構(gòu)成一個(gè)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(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)太空的宇宙射線過程中，意外地發(fā)現(xiàn)了正電子,，證實(shí)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(gè)尋找目標(biāo),。

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(jiǎng)。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(gè)反質(zhì)子，即電荷為負(fù)的質(zhì)子,。

當(dāng)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(yán)格對稱的,，否則所有的物質(zhì)都將湮滅,。

宇宙起源的標(biāo)準(zhǔn)理論認(rèn)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(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí),，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(shí)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(gè)粒子對撞試驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(dá)大氣層的范圍1到100個(gè)/平方米,。

但其他反物質(zhì)來源其實(shí)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(gè)正電子,。之所以會出現(xiàn)這一現(xiàn)象,，是因?yàn)橄憬栋猩倭康拟?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(jià)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(dāng)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(shí)驗(yàn)室中制造出了世界上第一批反物質(zhì)——反氫原子,；1996年,，費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室成功制造出7個(gè)反氫原子。2000年9月18日,，CERN成功制造出約5萬個(gè)低能狀態(tài)的反氫原子,，這是人類首次在實(shí)驗(yàn)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(fèi)米實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(shí)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?yàn)榉次镔|(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(yùn)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(gè)反質(zhì)子一個(gè)星期,。但彭寧離子阱對反氫原子等并不起作用,，因?yàn)椋礆湓硬粠щ?，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(shí),，地球的磁場也類似某類反物質(zhì)阱。2011年,，意大利一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行的“神盾（AEGIS）”實(shí)驗(yàn)、“反氫激光物理裝置（ALPHA）”實(shí)驗(yàn)等都在試圖發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn),。

當(dāng)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(shí)驗(yàn)需要將反物質(zhì)保存在一個(gè)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(jìn)行觀察,。而且，因?yàn)橐κ亲钗⑷醯幕玖?，物理學(xué)家們必須在這些實(shí)驗(yàn)中使用中性的反物質(zhì)粒子,，來預(yù)防更強(qiáng)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(gè)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(gè)反氫原子構(gòu)成的,、長達(dá)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(fèi)米子（與反粒子相同的粒子）。20世紀(jì)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(shí)驗(yàn)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(fèi)米子,。有些放射性的原子核會同時(shí)衰變,，釋放出兩個(gè)電子和兩個(gè)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(rèn)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(shí)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(jì)算機(jī)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?？茖W(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn),，這一技術(shù)對倉鼠的細(xì)胞有效，但目前仍然沒有在人體進(jìn)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(tuán)。

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(jìn)號”升空的這個(gè)先進(jìn)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(gè)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(gè)事件中識別一個(gè)反粒子,。這意味著與以前的實(shí)驗(yàn)相比提高了三個(gè)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(zhǔn)確度來探測宇宙射線光譜的組成。

AMS-02內(nèi)部有一個(gè)強(qiáng)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(yáng)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(gè)反氦原子的可能性極低，因?yàn)檫@一過程需要大量能量,。這意味著,，即便只發(fā)現(xiàn)一個(gè)反氦核，就能成為宇宙某處存在大量反物質(zhì)的堅(jiān)實(shí)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(rèn)知當(dāng)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(dāng)反粒子和粒子在高能下碰撞而湮滅時(shí)，會釋放出大量能量,。而這種能量的釋放率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于核彈,、氫彈，大概幾克產(chǎn)生的能量就相當(dāng)于一枚戰(zhàn)略核彈,。正因?yàn)橛羞@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(shí)現(xiàn)曲速飛行,、超光速抵達(dá)宇宙中任何一個(gè)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(dá)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(xiàng)新構(gòu)想真正付諸實(shí)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(gè)世紀(jì)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(bào)道,，2011年，CERN的科學(xué)家成功將309個(gè)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(jìn)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(jìn)的星際旅行有可能從夢想走進(jìn)現(xiàn)實(shí),。

但有趣的是,，當(dāng)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(dāng)接近以光速飛行,，時(shí)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(shí)鐘會走了大約6年,，但實(shí)際感覺只過了不到4年半時(shí)間而已。

實(shí)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(rèn)識一定會越來越深刻,，反物質(zhì)世界必將為人類做出貢獻(xiàn),。