反物質：一個奇異的話題

2002年6月31日，一個科學界關注的日子。東南大學與諾貝爾物理獎獲得者、著名科學家丁肇中籤署合作協議，參與AMS（Alpha Magnetic Spectrometer）—03型探測器的研究，成為目前我國唯一加入這一世界最前沿科研項目的高校。這也引起了一個引人入勝的話題：有反物質宇宙存在嗎？

從哲學角度來講，這個問題很容易回答。我國古代的太極圖似乎也暗示了它的存在，部分天文學家也認為有存在的可能，但現代天文學還拿不出令人信服的證據。否定反物質的人很多，美國宇宙學家施拉姆（Schramm）說：「大多數理論家的直覺，不存在反物質。這意味著如果你找到它，那是一個偉大的發現，證明這些理論家都是錯誤的。但是最大的可能是，這意味著你找不到它。」

目前，由丁肇中主持的這項研究已有16個國家的科學家參與其中，投入的資金更是高達1000多億美元。許多科學家表示：只要能發現宇宙反物質的存在，那麼這將是當之無愧的諾貝爾獎。該探測器將於2005年發射升空並永久停留在太空，東南大學還將建立一個數據接收分析中心和培訓中心作為配套項目。丁肇中認為，如果反物質確實存在，當正物質與反物質碰撞時可以產生巨大的能量。他現在所主持的「尋找宇宙中的暗物質和反物質」的研究已進行多年，目前已取得一些重要成果。「但是，從這一領域發展的歷史來看，人們要有思想準備，也許我們會發現意想不到的東西，與原先想研究的東西毫無關係。」丁肇中很慎重地表示。

從拉普拉斯大預言談起

天體有巨大的引力，在巨大的引力作用下，會發生各類反應，並發光發熱。物極必反，拉普拉斯（P?S?Laplace）曾經大膽預言：宇宙中最大的天體有可能是看不見的。當引力隨質量增大時，天體會變成一個一無所有的區域，既不發熱，也不發光，現在我們稱之為「黑洞」（Black Hole）。因此宇宙更多的是由不可見的暗物質或反物質組成，我們肉眼和天文儀器所能「看」到的只是以恆星或以星系形式存在的宇宙結構，這些物質只佔宇宙總體的10％，90％的物質是以暗物質或其他結構形式存在。顯而易見，對可見物質的巨大引力的存在表明了暗物質或反物質的存在。可是我們用光無法探測到，用紅外線、紫外線和X光都無法探覓到它們的足跡。

同樣的，對應著現存的星系結構體系，有由相反的反宇宙結構體系存在嗎？其實早在1898年，一位英國物理學家就提出：與物質存在一樣，有一個鏡像對應的反物質存在。受當時科學水平和試驗條件的限制，這個反物質概念沒有一點事實依據，因此在宇宙深處存在由反物質組成的宇宙恆星雲只能屬於純粹意義上的假說。

1997年科學家宣佈發現了「銀心反物質噴泉」極大地震撼了整個物理學界，使科學家們尋找反物質的熱情一下子高漲起來。

1998年6月3日，由丁肇中教授發起的帶有全球意義的尋找宇宙反物質事件，使得這一領域一度成為全球科學家最為關注的焦點。

製造反物質

1928年，英國年輕的物理學家，諾貝爾獎獲得者狄拉克（P?A?M?Dirac）首次預言存在反粒子。1932年，美國科學家卡爾?安德孫（C?D?Anderson）等在雲霧室裡研究宇宙現象過程中發現了反電子，並將其正式命名為「正電子」，狄拉克的預言得到科學實驗的證實。

狄拉克還預言了其它反粒子的存在。物理學家已先後製造出多種反粒子和反原子核。例如：1955年美國加利福尼亞州立大學伯克萊分校的物理學家張伯倫（O?Chamberlain），使用高能質子同步穩定加速器，用高能質子去轟擊銅，結果便製造出了反質子。接著第二年發現了反中子，稍後又有反中微子、反介子、反超子……，其中反西格馬超子是我國科學家王淦昌在10吉電子伏同步穩相質子加速器上發現的。

有反粒子必然有反物質，但製造反物質並非易事。事實上，直到1996年初，人類才在日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）首次成功製造一種反物質---9個反氫原子。事隔一年，美國費米(Fermi)加速實驗室也成功製造了7個反氫原子……高能物理的發現激勵著更多的科學家從事這項重要的基礎研究。

目前科學家們製造的反物質雖然不是很多，存在時間還不到400億分之一秒，但是科學家們已經見到了曙光。如果反氫原子是氫原子的鏡像的話，宇宙中就有可能存在反物質天體，雖然它的光譜和普通星系的光譜一樣，令我們無法區分它們。自然地，茫茫宇海成為科學家尋找反物質的理想場所。

奇妙的反物質世界

愛因斯坦早年可能也意識到了反物質的存在，從他的研究中我們會發現一些蛛絲馬跡。他曾建立了一個物質總能公式：E=√C2P2±M2C2

根據這個公式推算，物質的總能量有正負兩個值，這意味著，世界上存在負物質。我們更關心的是，有反物質世界存在嗎?這不禁會使人聯想到美國電影《費城實驗》，其實這個實驗是有生活依據的。

1943年12月，美國海軍在費城進行了一項秘密實驗(The Philadelphia Experiment)，試驗成功地將以艘驅逐艦及全體船員投入到另一空間。在實驗過程中，實驗人員啟動脈衝和非脈衝器，使船隻周圍形成了一個巨大的磁場。隨後整條船被強磁場所產生的綠色煙霧包圍著，船隻和船員也開始從人們的視線中消失。軍方在停止實驗後，卻驚奇地發現他們的驅逐艦在眨眼之間已經駛到了遠在470公里開外的諾福克（Norfolk）碼頭。這個實驗令很多科學家目瞪口呆。相傳，此後一些船員身上仍留有實驗的反應，不論在家裡，在街上，在酒吧間或飯店裡，都會突然地消失又重現，讓旁觀者驚訝不已。

參與這項實驗的吉索普（Morris K?Jessup）博士認為，強烈的磁雲能夠重新排列人類和物質的分子結構，使其進入另外的時空。

費城實驗的進行在科學上具有深遠的意義，它不僅證實了自然界中的確有另外的空間存在，同時也表明了將人類及裝備暫時投入另一空間的可行性。

可是要是我們找到了反物質世界，並且走了進去，那才真正發現一個奇妙的世界呢。所有的物理定律都要翻個個兒，正如科幻小說家描寫的那樣，在反物質世界裡，力的作用恰好相反，你如想扣起反物質物體，就得把物體向下按；反物質做成的釘子，先要對準牆向外拔它，它才會鑽進牆裡。我們的基礎理論彷彿在一夜間就變了個樣，誰也不敢想像在這樣的世界裡究竟會發生什麼或者正在發生什麼。

反物質引發的大爆炸

由於反物質與物質是水火不相容的，一旦它們相遇，兩者便很快消失，同時釋放出巨大的能量和比普通可見光強約25萬倍的伽瑪射線。這就為那些研究地球上神秘大爆炸的西方科學家找到了借口。

1908年6月30日凌晨7時17分，在西伯利亞通古斯發生了一起相當於數百顆原子彈當量的爆炸，其規模之壯觀使得遠在倫敦的人連續兩個晚上能夠看到北部天空所呈現的紅色，儘管科學家分別在1921年、1927年和1929年對該地區進行了多學科的聯合考察，但令人失望的是，該地區沒有發現任何隕石和其它墜落體的殘片。

1979年9月22日，美國的軍用衛星「貝拉號」在非洲西南拍攝到了一次「強烈的大爆炸」的照片，並於1981年初再次在該地區拍攝到了這一類似「爆炸」現象。令人大惑不解的是：在此之前，只有美、蘇 、英三國擁有核能力，且早在1963年三國就簽署了地下核試驗條約，而「貝拉號」的發射目的正在監視簽約國的，那麼是誰跑到如此遙遠的地方進行核試驗的呢?

最近的一次發生在1984年4月29日夜間，荷蘭航空公司的868班機在22時30分，日本航空公司第36次航班在23時15分左右，都在途中發現了神秘的蘑菇雲，並且還伴隨著強烈的白光。同一條航線上另外兩架航班也目睹了這神秘的一幕。可是衛星雲圖則說明天氣情況良好。更不可思議的是，調查表明爆炸空域受到了明顯的放射污染。

所有這一切，一些科學家都把它歸結為反物質爆炸，在未找到宇宙反物質之前，誰也無法找到反駁他們的理由。

黑洞與反物質通道

根據廣義相對論引力場方程推出：宇宙中的黑洞是連接兩個分離時空區的隧道，假如反物質世界處於另一時空，那麼黑洞就可能是反物質世界的通道。但對於黑洞內部我們仍然一無所知，確切地說，黑洞內部就是一個反物質世界，而遠非「黑洞無毛理論」(No Hair Theorem)所說的那麼簡單。

有人把反物質世界和物質世界關係用一張紙條來加以證明。取一張小紙條，完好地把兩頭粘連起來，試想，如果有一隻螞蟻在外表爬行，它怎樣才能進入另一面呢?有兩個辦法：一是爬過紙帶邊緣；一是在紙帶上打個洞。可是如果我們把紙帶的一頭旋轉180°再粘連上，紙帶的兩面就變成了一面，螞蟻只要在紙帶上爬行就可以隨意地出入紙帶內外。如果宇宙是一個整體，我們只要進入黑洞，就可以進入反物質世界。可是至今，我們還從未聽人說起曾到黑洞旅遊過。