歐洲粒子物理研究所製造出反氫

反物質可製成武器威力遠超核彈

　　據英國《新科學家》雜誌報道，不久前我們聽說歐洲粒子物理研究所利用大型強子對撞機產生可摧毀行星的黑洞。現在根據丹·布朗(Dan Brown)的巨著拍攝的一部電影，為我們提供了另一種假設在瑞士日內瓦附近的粒子物理實驗室生成的危險物——反物質，用這種物質製成的武器具有非凡的破壞力。

　　雖然布朗書中的反物質是虛構的，但是這種物質本身並不是虛構的。我們在宇宙射線裡就能看到它的跡象，科學家通過在世界各地的粒子加速器裡進行高能撞擊，製成這種物質。醫院採用的正電子發射體層顯像技術，也利用能發射出反物質粒子的放射性分子成像。關於反物質，布朗的一種觀點是對的：如果你想找到更多反物質，你最好前往歐洲粒子物理研究所。

　　謎團一：反物質都在哪裡?

　　如果你要列舉這個標準模型(物理學家對物質和它的相互作用進行的成功描述)的缺陷，我們不能存在的預言很有可能是合適之選。據這個理論說，宇宙大爆炸產生了相同數量的物質和反物質。它們可能在宇宙形成片刻後就相互消滅了對方。然而事實證明，我們確實存在。而且行星、恆星和星系也真實存在；我們看到的一切由物質構成的東西都真實存在。

　　有兩種看似可行的方法可用來解決這種有關存在問題的謎。第一種是，物質和反物質的物理性質可能存在輕微差別，這使早期的宇宙充滿過多的物質。雖然理論預言反物質世界可以映出我們的完美身形，但是試驗證實，我們在鏡子中發現一些可疑的擦痕。1998年，歐洲粒子物理研究所進行的實驗顯示，一種特殊粒子，即K 中介子時不時轉變成反粒子，故而使物質和反物質之間失去平衡。

　　隨後科學家利用加拿大和日本的粒子加速器進行試驗，結果在2001年發現類似現象，不過這次他們在更重的K 中介子同位素B介子之間發現更加不均衡的現象。今年遲些時候一旦歐洲粒子物理研究所的大型強子對撞機開始恢復運行，它進行的大型強子對撞機B介子試驗，將利用一台4500公噸重的探測器尋找數十億個B介子，以便更加準確的揭開它們隱含的秘密。

　　但是大型強子對撞機B介子試驗可能不會為我們提供揭開反物質消失之謎的答案。牛津大學粒子物理學家弗蘭克·克洛斯說：「這種影響似乎太小，根本無法解釋物質和反物質間存在的巨大失衡現象。」解釋物質之謎的第二個答案，是在宇宙形成後的數秒裡，物質和反物質的湮滅並不充分：物質和反物質在相互消滅對方的過程中設法逃逸出來。反物質可能就隱藏在宇宙的鏡像區，那裡可能存在反恆星、反星系，甚至是反生命。

　　克洛斯說：「這不是一個非常愚蠢的想法。」他指出，當一塊熱磁體變涼時，個體原子會迫使它們周圍的原子與磁場結合，產生指向不同方向的磁域(domains of magnetism)。宇宙在大爆炸後的冷卻過程中，可能也出現了類似現象。他說：「最初可能物質多一些，或者反物質多一些。」隨著時間推移，這種微小差異擴展到宇宙的各個區域。

　　如果這種反物質域確實存在，它們一定不在我們附近。恆星和反恆星交界處發生的物質湮滅，可能產生了高能伽馬射線。如果一個反星系與正常星系相撞，反物質所佔的比例將會非常大。我們還從沒看到過這種跡象，但是迄今為止還有很多宇宙區域我們都沒看到過，這些區域距離我們非常遙遠，我們可能永遠都無法看到它們。

　　如果發現反氦或者其他反原子比重氫更重，這可能是證明反宇宙的證據。反恆星可能通過核子融合，構成反原子，這個過程跟普通恆星合併成常規原子一樣。價值15億美元的阿爾法磁譜儀的設計目的，是通過宇宙射線尋找這種跡象。現在它還靜靜的呆在地球上，等待著飛往國際空間站，不過該磁譜儀有可能會搭乘美國宇航局在2010年或2011年實施的最後一項航天飛機發射任務，飛往太空。

　　謎團二：如何製造反物質？

　　如果確實想破解反物質的諸多謎團，我們首先必須要努力解決反物質自身問題。說來容易做起來難。你究竟怎樣去確定一種在觸及任何東西的瞬間消失不見的物質？歐洲核子研究中心的兩個實驗ATRAP和ALPHA正試圖解決這道難題。實驗的目標是製造數量足夠多、長度足夠長的反氫，用以對其釋放的光譜同正常氫釋放的光譜進行對比。即便是兩種光譜之間最輕微的差異也會改變標準模型。反氫可能是結構最為簡單的反原子，是反質子和正電子結合產生的。

　　實驗要求在幾乎完美的真空狀態下進行，因為即便遭遇一丁點空氣也會造成反物質瞬間灰飛煙滅，所以必須找到捕獲反物質的途徑：並非在常規容器中，而是利用電場和磁場。ATRAP及ATHENA(ALPHA實驗的「先驅」)在2002年成功隔離反氫，將來自粒子加速器的反質子同來自磁捕集器鈉放射性來源的正電子結合在一起。不幸的是，這種成功稍縱即逝：磁捕集器僅僅對反質子和正電子這樣的帶電粒子起作用，但反氫不帶電，所以，它可以從重重包圍中脫身。

　　ATRAP和ALPHA實驗目前仍在解決這個問題。歐洲核子研究中心物理學家羅爾夫·蘭杜亞(Rolf Landua)說：「捕獲反氫原子是當前科學的尖端領域，是一個挑戰。」蘭杜亞是好萊塢影片《天使與魔鬼》(Angels and Demons)的科學顧問，影片中頂尖物理學家萊昂納多·威特拉(Leonardo Vetra)這個人物就是以蘭杜亞為靈感創作的。他說：「迄今為止，沒人成功做到這一步，但我相信我們可以。」儘管如此，蘭杜亞說，原著中所描述的用便攜式反氫捕獲器圍攏反物質的想法距離現實還十分遙遠。

　　謎團三：重力對反物質有何影響？

　　我們認為，重力對所有物質的作用方式相同。但對反物質又如何？歐洲核子研究中心實施的AEGIS實驗目的就是尋找到這個問題的答案。重力是一種相對微弱的力量，所以，AEGIS實驗將利用不帶電的粒子，以避免電磁力湮沒重力效應。AEGIS實驗首先創建高度不穩定的一對對電子和正電子，即電子偶素(一個負電子和一個正電子組成的類原子系統)，接著用激光器激活它們避免其過快湮滅。成群結隊的反質子會將一對對電子偶素撕裂，「盜取」它們的正電子用以創建不帶電的反氫原子。

　　這些水平穿過兩組裂口的反原子脈衝會在探測器螢幕上產生精緻的衝擊圖案和陰影。通過觀測這個圖案位置的變化，可以測算反物質承受重力的大小和方位。AEGIS項目發言人邁克爾·多塞(Michael Doser)表示，這是一個聰明的想法，但問題的癥結在於細節。他說：「從沒有人像這樣製造受控制的電子偶素，從沒有人在像這樣的環境下，使用激光器生成激活電子偶素的狀態，從沒有人製造出像這樣的反氫。」

　　如果研究人員最終獲得成功，那麼也值得他們付出這麼大努力。倘若重力確實對反物質產生不同的影響，我們借此不僅可以瞭解到有關反物質的一些謎團，還能對現代物理學的基礎理論有所瞭解。愛因斯坦廣義相對論是當前被普遍接受的重力理論，該理論稱重力對各類物質的作用相同。同樣，標準模型預測，物質和反物質幾乎在所有方面都是相同的。蘭杜亞說：「如果發現事實與理論不相符合，那麼我們就會發現極為重要的東西。」多塞則說：「我認為，研究結果不會與以往有什麼不同之處，我賭一箱香檳。但我內心確實希望自己賭輸了。」

　　謎團四：我們能否製造反世界？

　　眼下，物理學家應對反氫問題上面臨重重困難。反氫可能是結構最為簡單的反原子。我們能否期待他們製造出反氦，接著經由反碳推理出有機反分子以及整個元素反週期表嗎？問題是，每個反原子每次必須建立在一個亞原子的反粒子之上。例如，如果你希望製造反氘——像反氫一樣，但增加了反中性子——首先必須生成反中性子。反中性子是不帶電的，令其不可能以常規方式與電磁場相互作用，所以，你必須生成大量反中性子，並希望在你製造的大約百萬個反中性子當中，碰巧有一個出現在合適的位置，最終生成反氘原子。

　　研究反物質特性的AEGIS實驗發言人多塞說：「你每多增加一個反中性子或反質子，你會喪失大好機會。」儘管迄今沒人破解這道難題，但歐洲核子研究中心的實驗正在充滿利用一條捷徑，至少可以製造反氫以外的物質。ASACUSA已經製造出「反質子氦」的原子，在實驗中，一個繞氦核軌道運轉的電子被反質子所取代。通過研究這種混合物質-反物質原子釋放的光譜，研究人員可以極為精確地測算出反質子的電特性和磁特性，同時還能同常規質子的電特性和磁特性進行對比。

　　至於我們製造結構更為複雜的物質的機會，牛津大學物理學家弗蘭克·克勞斯(Frank Close)充滿悲觀，他說實現這一願望用時十億年恐怕也不為過。克勞斯說：「這取決於人類能在地球上存在多久。」發現反週期表中更為奇特的元素的最佳方法就是仰望天空，希望某些反恆星(antistar)碰巧出現在我們面前。

　　謎團五：能否造出反物質炸彈？

　　反物質是一種致命武器，威力強大，不可阻擋。一旦將其從歐洲核子研究中心的充電平台上移走，燈光會令人眩目，周圍會響起雷鳴般的咆哮聲，它們會自動焚燬。有人提出，人類可能有朝一日利用反物質的破壞力去摧毀整個世界，這本身就是一種奇異的想法，也是好萊塢科幻大片《天使與魔鬼》的情節主線。在影片中，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。

　　歐洲核子研究中心物理學家蘭杜亞表示，我們不要杞人憂天。科學家有充分理由相信上述一幕絕不會在不久的將來上演。蘭杜亞說：「如果你將歐洲核子研究中心在過去30多年反物理實驗中生成的所有反物質累積起來，如果你無比幸運，你或許會得到一億分之一克反物質。如果它在你指尖爆炸，除了像點燃一根火柴以外，不會造成其它任何危險。」接受PET的患者血液中具有天然放射性原子，它們釋放出數千萬個的正電子不會造成任何負面影響。

　　即便物理學家可以製造出炸彈所需要的足夠多反物質，但費用將會是個天文數字。蘭杜亞說：「1克反物質的製造成本可能高達1000億美元。這可能超出貝拉克·歐巴馬在很多領域投資的資金。」牛津大學物理學家克羅斯還提到了時間問題。他說：「我們需要100億年才能生成去製造丹·布朗(《天使與魔鬼》一書的作者)所說炸彈的足夠多反物質。」

　　這聽上去讓人鬆口氣，不幸的是，有人又希望將反物質作為一種清潔、綠色能源進行開發。克勞斯說：「如果大自然在過去150億年間給我們生成足夠多的反物質，也許存在這種可能性。」蘭杜亞說，問題是，我們每次只能用它們造成一個反原子，這種辦法消耗的能量將遠遠超過我們從中獲得的能量——前者可能是後者的十億倍。

　　然而，這並不表示我們不能以各種新途徑利用反物質。2007年，美國加州大學河濱分校兩位物理學家戴維·卡西迪(David Cassidy)和艾倫·米爾斯製造出由至少一個電子偶素原子構成的第一個分子。電子偶素原子很快湮滅變成高能伽馬射線，所以，如果將大量電子偶素原子結合，也許這能夠令其湮滅，同時釋放出光線，造出巨大的高能「伽馬射線湮沒激光器」，可被用於對小到原子核這樣的物體拍照，或引發核反應堆中的核聚變。