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瘾科学:通往反物质能量的一小步

Andy Yang
2010 年 11 月 26 日, 傍晚 07:00

每次一听到「反物质」这个词,脑袋中都不免会闪过各种非常科幻的场景 -- 用反物质做燃料的太空战舰从炮口射出反物质弹,击中敌舰后敌舰就在一阵光中消失无踪。问题是,我们到底离这个梦想的世界还有多远呢?17 号在英国自然期刊上发表的反物质「突破」,是 CERN 的科学家们成功地让 38 颗反氢原子存在 0.17 秒 -- 这样的数字虽然不论是量产还是储存,都还差得很远,在反物质的研究上只是一小步,但却是得来不易的一小步呢!

为什么反物质这么难搞定?这主要来自于反物质最著名的特性:当反物质接触到物质时,两者会互相抵消而「湮灭」(我总觉得这个描述会产生误解,毕竟东西不是就消失了,而是转换成了另一种形式),并产生大量的能量。物理学最大的谜团之一正与反物质有关,即大霹雳的发生应当对物质和反物质是一视同仁的,为什么最后物质比反物质多了那么一点点(大约每十亿颗多一颗),以至于当所有的物质和反物质都湮灭后,还有这么一点点额外的物质留了下来,形成星系、星球、行星、你我?


不,这张图和反物质一点关系也没有。我只是找了一张看起来很厉害的图而已。
虽然目前的宇宙里充斥着物质,但这并不表示自然界中产生反物质是非常稀罕的事,甚至地球上空的范艾伦辐射带受到高能宇宙射线碰撞时,也会产生反物质,更不要说靠近星系中心的黑洞,极有可能正在大量地产生反物质中。只是任何自然产生的反物质,都会很快地被它所接触的第一颗物质消灭,因此我们观测得到的宇宙 中,并没有大量的反物质存在的迹象。不过科学家也不排除可能有部份的宇宙区域里是反物质多于物质的,只是因为和物质没有一个接触的边界(接触的话应该会是个非常强的伽码射线源),或是我们的探测不得法,因此目前还没能发现有这样的区域存在。


Discovery 看多了之后想象中的正子           右:科学家实际看到的正子

基于同样的原理,科学家在高能粒子碰撞实验中,三不五时地就会制造一些反物质出来,但是都马上就被周遭的物质消灭了,很难能够留得下来。在所有的反物质中,正子(即反电子)似乎是自然界最容易产生的一种,也是第一个被发现的反物质,在 1932 年被 Carl D. Anderson 所发现,也为 Carl 赢得了 1936 年的诺贝尔物理奖。正子也是目前最容易人工生成的反物质之一,劳伦斯利福摩尔国家实验室开发的新技术可以一次生产上千亿颗的正子,而且正子在医学和材料科学等方面已经找了到应用,可惜正子的质量太过微小,做为能源并没有什么实用上的意义。

正子的下一步,就是反质子和反中子。反质子在 1955 年由 Emilio Segre 和 Owen Chamberlain 所发现(也为他们赢得了 1959 年的诺贝尔物理奖),反中子则是由 Bruce Cork 于 1956 年发现,晚反质子一年。有了反质子和正子,结合两者的反氢原子应该相当容易吧?一点也不。这主要还是能量的问题,要让正子乖乖的进入反质子的「轨道」,两 者都必需要「降温」(减少动能)到一定的程度,否则就算在很短的时间内能确定反氢原子的存在,正子和反质也会马上分离。第一批实验确定的反氢原子要等到 1995 年,才由 CERN 的科学家所制造出来了约 100 颗反氢原子,只是当时的能量还是太高了,并不适合拿来研究用。


CERN 的反质子减速器。研究最小的东西,偏偏靠的都是世上最大的研究器材... [图片来源]

接续的研究(称为 ATRAP 和 ATHENA)主要是利用在 1999 年 CERN 启用的一个称为「反质子减速器」的装置,将反质子所带的能量从 3.5GeV 降到 5.3MeV,再用电子电浆进一步冷却到 100 meV。方法是没有问题,可是过程中只有 1/1000 的反质子能留存下来,相当的没有效率。不过即使如此,到了 2002 年时,设备每秒已经可以生产约 100 颗反氢原子,而到了 2004 年时已经用这个方法生产了上百万颗的反氢原子。但是,科学家明知道生产了这么多出来,但却几乎没办法对它们做任何的实验或观察,因为正子和反质子各带正电荷和负电荷,可以用磁场将它们困住,但一旦结合成了反氢原子之后,电中性的反氢原子便不再受磁场的束缚,会直接撞到实验设备的内壁而湮灭。


氢与反氢 -- 两者构造相似,但电荷相反。反氢的原子核带负电,而正子带正电。

这次的突破就在这里。由 ATHENA 的成员改组而成的 ALPHA 小组,成功地将反氢原子所带的能量降到能够困住的程度。虽然量不大,而且时间还是很短,但是以粒子物理学的角度来说,0.17 秒已经长到可以做很多相关实验,来了解反氢原子的一些特性了。一旦我们对反氢原子有更进一步的了解,对于其制备、保存及应用,应该都会有更长足的进展吧! 只是目前来说反质子的产量实在是非常地低,CERN 估计当所有现行的设备都能全速运转时,每分钟约能生成 107 个反质子 -- 听起来很多,但就算这 些反质子能全部变成反氢原子,也要 1000 亿年才能生产 1g 的反氢。


用反物质做燃料最大的优势,就是 100% 的质能转换效率... 和漂亮的图 XD

所以反物质的世界离我们还有蛮远的一段距离。现行的估计,每克正子大约要花 2.5 亿美元,每克反氢更要 62.5 兆美元的天价。但这主要还是因为人类还没有开发出适合生产的装备来。如果 ALPHA 小组的研究结果能导向更简易的反物质生产方式的话,这可就是通往反物质能量的一大步了呢!

[Wikipedia: 反物质正子反质子反氢]