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  在美国作家丹·布朗的畅销小说《天使与魔鬼》中,犯罪集团从欧洲核子研究中心(CERN)盗取反物质,企图用以炸毁整座梵蒂冈城。这是“反物质”这个概念作为科幻小说元素最新近、最让人印象深刻的一次出场。于是当人们发现CERN真的成功制造,并且捕获反物质时,无不惊叹科幻成真,亦担心所谓的“末日武器”终将降临。事实上,制造反物质对于科学家来说已经并不新鲜,甚至部分反物质粒子已经被运用在医学领域。但以目前人类的科技水平,把反物质用作能源或军事依然纯属科幻。
  我们为何要研究反物质

1928年,英国科学家迪拉克最早提出了反物质的概念起,就不断有科学家证实反物质的存在和它有可能存在的巨大能量。根据科学家的假设:正物质和反物质相遇后会湮灭,正反物质的质量将全部转化为能量。就目前所知道的所有物理反应而言,反物质是效率最高的燃料,同时也是一种致命武器,威力强大,不可阻挡。


反物质
物质与反物质结合释放出高能光子或伽玛射线。
反物质
研究反物质被认为是揭开宇宙起源(宇宙大爆炸)之谜的重要途径。

研究宇宙起源,开发22世纪超级能源

 

科学家认为,反物质是一种假想的物质形式。在粒子物理学里,反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的,如同普通物质是由普通粒子所构成的。物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭,且因而释放出高能光子或伽玛射线。

 

爱因斯坦预言过反物质的存在。根据物理学家的假想,在宇宙形成的最初很短的时间内,宇宙是守恒的,物质与反物质具有相等的丰度。正因正反物质相接触会释放巨大能量,宇宙大爆炸发生——仅仅一秒之后,所有的反物质与大部分(几乎全部)的物质消失,剩下的微量物质形成了我们世界里的一切。因而科学界认为,研究反物质是解开宇宙起源之谜的重要环节。

 

另外,由于理论上物质与反物质的湮灭时质量可完全转换成能量,带来最大的能源效率,且单位产量是核能的千百倍或常规燃料的亿兆倍,所以科学界一直在试图研究其作为新能源的可行性。即最近新闻稿件的说法,用作宇宙飞船燃料六星期可到火星,用作武器爆炸威力超氢弹等等。

 

人类掌握反物质粒子已多时:正电子早被用在医学领域

 

事实上,“反物质”对人类来说并不是太新鲜的事物。早在1928年英国科学家迪拉克最早提出了反物质的概念的4年后,这个假说就得到验证——加州理工的安德森(Carl David Anderson)发现了正电子,即电荷为正的电子的存在;1955年在美国伯克利高能质子稳相加速器上,研究人员制造出了第一个反质子,即电荷为负的质子。

 

时至今日,人们发现和制造的反物质粒子虽然不多,但正电子作为反物质的一种形式,已经有了许多实际用途。例如,反物质正在医学领域发挥效用。正子放射断层扫描仪(PET scanner)既是应用了正电子的特性。这种医疗成像技术发明于1974年,是一种类似CT的扫描,将微量带有正子的氟化去氧葡萄糖注入体内,经血液循环传送到体内组织器官,利用正子衰减时激发珈玛射线,以正子扫描仪测知射线的存在,再经由电脑运算组合成全身各层次影像,就能看到癌细胞,为医生提供诊断依据。

  大国热衷反物质研究

自从反物质的假说被提出,欧美主要发达国家都建立了专门的反物质研究计划。除了出于科学目的,反物质被用作未来能源的前景亦可能是各国看重此项研究的重要原因。科学家在实践上采取了两种途径,一是在自然界中寻找反物质,二是在实验室中制造反物质。尽管这些项目涉及资金高达数十亿美元,但反物质研究进展极为缓慢。


反物质
2010年11月17日,欧洲核子研究组织(CERN)利用大型强子对撞机,首次捕捉到了反物质。
反物质
欧洲强子对撞试验机核心设备结构图。
反物质
新一代的磁谱仪将于明年由美国航天飞机“奋进号”运送到国际空间站。

西方各国数十亿美金投入制造反物质 中国仅占国际贡献不到1%

 

从上世纪50年代的苏联时期开始,世界各国便或多或少出于战略性考虑从事反物质研究。1967年美国能源部建立费米国立加速器实验室,1996年实验室成功制造了7个反氢原子。而欧洲核子研究中心(CERN)成立于1954年,于1995年利用加速器将速度极高的反质子射流射向氚原子核产生正电子,正电子与反质子结合的原理制造过9个反氢原子,但仅仅在一亿分之三秒(3×10-8秒)后便告消失。2000年9月18日,CERN成功制造出约5万个低能态的反氢原子,这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。

 

本世纪以来,特别是在LHC(Large Hadron Collider,大型强子对撞机)建成之后,全世界高能物理研究的期待重心逐渐由美国向欧洲倾斜。这座历经数次开机、停机、维修才得以完成的家伙耗费了欧洲各国至少44亿美元(维基百科给出的真正造价数额不少于80亿美元)。其中重达5600吨的LHC底夸克探测器(简称LHCb)便是主要用于研究反物质。2009年12月9日,终于完成了第一次真正意义上的对撞。而到2010年11月17日,CERN宣布,成功制造出数个反氢原子后,并借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”——约0.17秒。这个时间比先前有了实质性延长,足够进行深入的观察研究。

 

由于耗费巨大,西方国家在反物质研究上采取了国际合作的模式。欧洲核研究组织中的法国、意大利、英国等国的科学家们均与美国展开合作,承担着相关项目中的大量研究工作。值得一提的是,中国的一些研究机构和大学也以单独身份加入了LHC的项目当中。例如清华大学参与了LHCb探测器数据采集板的研发等,但这些任务仅占国际合作总贡献里的不超过1%。另外,今年3月中国科学院上海应用物理所陈金辉博士参的意向国际合作研究发现了世界首个反物质超核。

 

在太空寻找反物质 美籍华人领衔56国合作项目

 

由于反物质制造成本极其高昂,以及推动学术研究的需要,科学家更倾向于直接从自然界“捕捉”反物质。当然,人类目前依然未能做到这一点,但一系列行动已经展开:1997年美国探测卫星发现,在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源。它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2940光年的“喷泉”。科学家之所以认为那是反物质“喷泉”,是因为正反物质相遇可释放出巨大的能量和比普通可见光强25万倍的伽马射线。此后NASA“钱德拉”X射线太空望远镜,以及“康普顿”伽马射线太空望远镜积极寻找宇宙早期残留下来的反物质迹象,但目前返还回来的数据显示,这项研究工作将比以往任何一次都要艰辛。

 

在自然界中寻找反物质,人类的另一项努力是阿尔法磁力分光仪实验(AMS)。这是一项由NASA与麻省理工学院诺贝尔奖获得者丁肇中(美籍华人)合作的计划,涉及资金20亿美元,包括中美法德等16个国家和地区的56个研究机构在空间领域展开合作。“阿尔法磁谱仪1号”早在98年已发射升空,而“阿尔法磁谱仪2号”也将于2011年2月由美国“奋进号”航天飞机运到国际太空站,开始持续十余年的观测研究。在这项实验中,中国参与了很多项目的研究。其中,阿尔法磁谱仪的主要结构以及关键部分——永磁体,是由中国科学院电工研究所、中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院研制的。中国还有多所高校也参与了AMS项目其他部分的工作。

  “反物质应用”依然纯属科幻

欧洲核子研究组织(CERN)花费了5年时间,耗资巨大的研究才最终抓住了38个反氢原子0.17秒的时间。有关反物质作为能源以及武器的运用,目前其还仅存在于科幻小说中。反物质只是一个很遥远的梦想,也许在未来很长的时间中,它仅仅停留在新概念的范畴内。 美国哈佛大学粒子物理学家弗兰克•克洛斯,他甚至悲观地认为:人类有能力制造可以使用的反物质需要等到数十亿年之后。


反物质
即使反物质真的能被大量制造,要将其应用仍有许多技术难点无法超越。例如如何把它作为宇宙飞船的燃料,又不让它湮灭时发出的伽玛射线杀死飞船上的宇航员。
反物质
按照物理学家假想,宇宙诞生之初曾经产生等量的物质与反物质,而两者一旦接触便会相互湮灭抵消,发生爆炸并产生巨大能量。

制造成本极高:1000亿美元或能制造1克

 

反物质被捕获的新闻之所以被网友广泛关注,主要原因还是在大部分媒体标题里都有“用作武器威力超核弹”的说法。考虑到此前网络各大论坛和军事社区不时有美国,甚至中国已经掌握反物质武器的传言,不少网友对这种“末日武器”表示忧虑。但事实上,即便物理学家可以制造出炸弹所需要的足够多反物质,但按照目前的制造方法费用将会是个天文数字。目前人为制造反物质的方式,是由加速粒子打击固定靶产生反粒子,再减速合成的。此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,且生成反物质的速率极低,因此尚不具有经济价值。欧洲核子研究中心物理学家兰杜亚称“1克反物质的制造成本可能高达1000亿美元”,这超过奥巴马政府在任何领域的投资数目;而牛津大学物理学家克罗斯还提到了时间问题。他说:“我们需要100亿年才能生成丹•布朗《天使与魔鬼》小说中足够摧毁梵蒂冈的反物质。”因此,网上关于某国已掌握反物质武器的传言,基本上纯属科幻。

 

反物质稍逊即逝,无法保存

 

人类无法将反物质投入能源或军事用途的另一重要原因是,即使制造出反物质,也难以保存。因为地球上万物都由物质构成,反物质已出现即刻与周围的物质湮灭。在过去几年中,一些科学家成功地制造出了一些反物质,但这些反物质原子在实验室里稍纵即逝,科学家们根本无从研究它的真面目。例如,研究人员2002年在真空环境里造出反氢原子,但造出后不到片刻便已湮灭。现在唯一的方法就是都是通过特殊的磁场来保存这些反物质基本粒子。实验显示,利用这种磁场,可以将“牵制”反氢原子的时间延长到十分之一秒的量级,欧洲核子研究中心研究员首次利用磁场成功“抓住”这种反物质0.17秒的时间。这一时间对科学家来说,已经比先前有了实质性的延长。但考虑到LHC机器的庞大规模(包含了一个圆周为27公里、直径3米的圆形隧道),即使人类能够制造可以长时间“抓住”反物质的磁场,也无法将制造这一磁场的环境压缩至一个炸弹的大小。

 

正反物质对撞“能量远超核爆”仅为推测,无任何实例能够证明

 

根据爱因斯坦著名的质能关系式——E=mc2告诉我们,质量泯灭,产生能量。正反物质湮灭时质量几乎损失殆尽,产生的能量比重核裂变和轻核聚变产生的少许质量差异大得多,爆发的能量也大得多,会将100%质量转化成能量,而利用聚变反应的氢弹则大约只有7%的质能转换。科学家由此推算1克反物质与1克物质相互碰撞而湮灭时所释放出的能量,相当于世界上最大的水电站12个小时发出的能量;而不到500克反物质的破坏力超过世界上最大氢弹的威力。

 

但到目前为止,关于反物质能量的说法全部都来自科学家的推测,无任何实验能够证明。丁肇中教授也很慎重地表示过“从这一领域发展的历史来看,人们要有思想准备,也许我们会发现意想不到的东西,与原先想研究的东西毫无关系。”另外也有说法称,正反物质对撞所释放的能量主要为光能而非热能,其威力可能没有我们想象中巨大,仅为核裂变释放能量的数倍而不是数千倍。另外,这也可能为反物质的应用蒙上阴影(例如用在太空飞船的燃料,其发射出的伽玛射线足以瞬间杀死飞船里的人等等)。如果反物质的能量并不像想象中的巨大,那么人们为开发反物质应用而付出的努力或许只是白费。巨额资金投入和未知的回报,也可能影响政府或企业参与的积极性。


 
  在科学家们的假想和科幻作品中认为,反物质不仅能够解决能源问题和实现能源革命,而且在军事上具有重大的应用前景。面对这场争夺未来战略级科技话语权的大国竞争,各国都跃跃欲试。然而近半个世纪的研究,人类现在也仅仅最多捕捉到0.17秒的反物质——它离人类依然太遥远。我们现有的科技水平源不足以实现科幻作品中的那些假想,并且在短期内不会取得突破性进展。如果您觉得意兴阑珊,不妨暂时回到电影中去。

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编辑:董凌 视觉:陈子宇
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