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本文发表于《中学科技》2007 年 第 12 期 (上海科技教育出版社主办)。 发表时编辑采用的标题为 “反物质 — 稀有的镜像”, 各节标题也有所变动。

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反物质略谈

- 卢昌海 -

本文是应《中学科技》杂志约稿而写的科普。 在旧作 反物质浅谈 的基础上, 本文删减了涉及理论概念较多的内容 (比如正电子概念的源起, 发现正电子的历史, 萨哈洛夫条件等), 同时也新增了若干内容 (比如雷登弗罗斯特效应)。 对被删减部分感兴趣的读者可参阅 反物质浅谈 一文。 本文发表时编辑将标题改为了 “反物质 — 稀有的镜像”, 但考虑到本文并未涉及 “镜像” 概念的由来 (在 “反物质浅谈” 的 第七节 中略有涉及), 因此本站版本不采用该标题。

一. 从反粒子到反物质

爱看科幻小说的朋友对反物质这一名称一定不会陌生。 在科幻小说中, 星际飞船的引擎常常要用反物质作为燃料; 星际战争的双方常常会用反物质作为武器; 甚至连文文静静的机器人的 “大脑” 里 - 如果你看过阿西莫夫小说的话 - 也可以看到反物质的踪影。 这些有关反物质的林林总总的想象是从何而来的呢? 这还得从七十五年前说起。

七十五年前, 也就是 1932 年, 美国物理学家安德逊在宇宙射线中发现了一种新的粒子, 它和电子具有相同的质量, 却带着与电子电荷恰好相反的正电荷。 这种新粒子就是电子的反粒子, 也是人类发现的第一种反粒子, 它被称为正电子。 安德逊的这一发现揭开了人类探索反物质的帷幕, 四年后他因为这一发现获得了诺贝尔物理学奖。

正电子的发现并不是一个出人意料的成就, 因为在这之前, 英国物理学家狄拉克曾经从理论上提出过一种有趣的观点。 按照这种观点, 我们平常认为一无所有的真空并非真正一无所有, 而是装满了所谓的负能量电子。 如果这些电子中有哪一个获得了足够的能量而变成正能量的电子 - 即普通电子, 那么真空中的负能量电子就会出现一个空缺。 分析表明, 这种空缺具有的性质与正电子完全相同, 因此正电子的存在可以算是被狄拉克预言过, 虽然当时安德逊本人并不知道这一预言。

狄拉克的观点有一个引人注目的推论, 那就是由于正电子是一种空缺, 因此当它与电子相遇时, 后者有可能填回到空缺中, 与它一同消失。 这时它们的能量就会全部释放出来。 这种过程很快在实验上得到了证实, 它被称为正负电子的湮灭。 狄拉克有关正电子的观点既简单又直观, 因此广为流传。 不过要提醒读者注意的是, 这种观点并不具有普遍的正确性。 在某些物理过程中, 负能量电子可以变成普通电子, 却并不伴随一个作为空缺而出现的正电子。 而且自然界中还存在一大类粒子, 对于它们狄拉克的观点完全不适用。 不过狄拉克的观点所包含的一些基本结论, 比如粒子与反粒子具有相同的质量, 相反的电荷, 正反粒子可以相互湮灭等, 却是普遍成立的。

正电子成为人类发现的第一种反粒子并非偶然, 因为与它相比, 其它反粒子要么在宇宙线及天然放射源中比较稀少, 要么由于相互作用太弱而不易检测, 其发现难度都远远大于正电子。 因此自安德逊发现正电子之后, 发现反粒子的步伐停顿了二十几年, 直到二十世纪五十年代, 随着加速器能量的提高, 才迎来了一阵美妙的爆发。 1955 年, 意大利物理学家赛格雷和美国物理学家张伯伦等在加州大学伯克利分校的加速器上发现了反质子 (赛格雷和张伯伦获得了 1959 年的诺贝尔物理学奖)。 第二年, 同一所大学的物理学家考克又发现了反中子。 此后, 其它基本粒子的反粒子也被陆续发现, 它们组成了一个种类和粒子一样庞大的反粒子家族。

随着反粒子的产生变得日益寻常, 物理学家们开始了进一步的探索, 那就是让反粒子象普通粒子配成原子那样配成反原子。 做到这一点在理论上虽无悬念, 但在实验上却是非常困难的事情。 这是因为反粒子不仅极易被普通粒子所湮灭, 而且往往处于高速运动之中, 要让它们乖乖地结合成原子, 其难度是可想而知的。 经过长期的努力, 这项工作终于被德国物理学家欧勒特领导的实验小组所完成。 1995 年, 他们成功地制备出了九个反氢原子。 与普通原子天文数字般的数量相比, 区区九个反氢原子可谓是相当寒酸, 而且它们存在的时间也短得可怜, 只有一亿分之四秒。 但这一消息一经披露, 还是立即引起了世界性的轰动。 许多大媒体用显著的标题做了报道, 欧勒特本人也受到了媒体记者的围追堵截, 有记者甚至试图把他从飞机上拦截下来进行采访。

反氢原子的制备为什么会引起新闻界如此广泛的关注呢? 这是因为原子和分子是承载物质物理和化学性质的基本组元。 从这个意义上讲, 反氢原子的制备是人类有史以来首次制备出了反物质, 而此前所研究的只能称为是反粒子而不是反物质。 对于媒体来说这无疑是一个极大的兴奋点。

欧勒特成功制备反氢原子之后又过了十二年, 2007 年九月, 美国加州大学的卡西迪和米尔斯在用反粒子组成物质结构方面又取得了一个新进展, 他们用两个电子和两个正电子制备出了一个类似于氢分子的结构。 这一工作的难度比欧勒特的实验还要大得多。 在欧勒特的实验中, 反氢原子本身是稳定的, 实验的难度主要在于防止普通物质与反氢原子的湮灭; 而在卡西迪和米尔斯的实验中, 电子和正电子本身就会在极短的时间内相互湮灭, 因此他们的系统本身就是高度不稳定的。 但尽管系统极不稳定, 卡西迪和米尔斯的实验还是引起了媒体的关注。 因为在理论上, 人们可以让大量此类系统处于完全相同的状态, 当它们湮灭时, 有可能会产生能量极高的脉冲激光, 远比目前用其它手段产生的激光强大得多。

二. 举步维艰的反物质应用

人们之所以对反物质研究倾注了很大的兴趣, 一个很重要的原因, 就是希望有朝一日能够利用正反物质湮灭所释放的巨大能量。 这种能量如果可以大规模地利用, 它的威力是无与伦比的。 计算表明, 只要一克反物质与相应的物质相互湮灭, 其产生的能量就足以超过广岛和长崎原子弹所释放的能量总和。 这样巨大的能量不仅可以作为能源, 更是一种令人望而生畏的武器。 事实上, 早在二十世纪中叶, 美国和前苏联的科学家就各自提出过反物质武器的可能性。 在美苏冷战的后期, 伴随星球大战计划的展开, 美国军方开始了反物质应用方面的研究。 当然, 如今我们知道, 制备一个反氢原子尚且如此困难, 美国军方的反物质研究在当时的技术条件下是完全没有希望的。 这些近乎于军事大跃进的研究计划后来随着前苏联的解体和冷战的落幕而下马了。

这么多年来, 虽然人们在制备反物质方面下了很多功夫, 也取得了一些成就。 但依靠人工制备的反物质作为能源和武器在目前还是很不现实的想法。 有一个简单的数字可以说明问题: 欧洲核子中心有一个低能反质子环, 它从建成到关闭总共服务了十四年, 在这期间它为实验物理学家们 (包括欧勒特的实验小组) 提供了超过一百万亿个反质子。 这看起来是个不小的数字, 可事实上, 即便我们把所有这些反质子全都当成反物质燃料, 它们与质子湮灭所产生的能量也只能让实验室里一盏普通的电灯点亮几分钟。 将这点微不足道的能量与十四年间为维持这个低能反质子环而消耗的巨大能源相比, 我们可以清楚地看到制备反物质在能源的投入和产出上是何等的得不偿失。 而欧勒特、 卡西迪和米尔斯等人在制备反物质方面的艰难努力, 则很好地说明了积累反物质在技术上是何等的困难。

对于想要制造反物质武器的人来说, 除了上面提到的困难外, 还会面临另一个意想不到的难题。 我们来设想这样一个情形: 有朝一日科学家们终于制备出了整整一克的反物质。 如我们前面所说, 一克反物质与物质湮灭产生的能量足以超过广岛和长崎原子弹释放的能量总和。 那么这是否意味着只要让这一克反物质与物质相碰, 就会象原子武器那样在瞬息之间释放出巨大的能量? 答案是否定的。 这个出人意料的结果, 其基本原理许多人在日常生活中有可能就已经接触到过, 只是未必意识到。 我们知道, 将一滴水滴在热锅上, 水会渐渐蒸发, 一般来说锅越热, 水蒸发得越快。 可是, 如果锅的温度高到一定程度, 水的蒸发情况会发生很大的改变。 这时水滴会在热锅上四处移动甚至跳跃, 而蒸发的速度反而大大减慢了。 这种奇异的现象早在两百五十年前, 就被一位名叫雷登弗罗斯特的德国医生注意到了, 如今它被称为雷登弗罗斯特效应。 雷登弗罗斯特效应产生的原因, 是由于当锅的温度很高时, 水滴剧烈气化产生的蒸汽会在水滴和热锅之间形成一层蒸汽膜, 阻隔两者的进一步接触, 从而急剧减缓水滴蒸发的速度。 这样的效应也会发生在正反物质相互接触的时候, 只不过蒸汽膜将会被辐射层所取代, 但它的效果是类似的, 那就是阻止正反物质的进一步接触 (事实上, 辐射压强将会把两者剧烈推开), 从而急剧减缓能量释放的速度。 因此, 如果有一天人们真的制备出了数量可观的反物质, 要想用它来制造有效的反物质武器, 还得在结构设计上下一番功夫。

对于科普读者来说, 反物质另外一个常常引起关注的地方, 是它曾经被当成是 1908 年 6 月 30 日发生在俄罗斯西伯利亚地区的通古斯大爆炸的可能解释。 这一解释是三位美国科学家于 1965 年提出的。 但是, 尽管这一解释很能激发科学爱好者的兴趣, 却没能经受住时间的考验, 很快就被放弃了。 人们放弃这一解释的原因有两条, 一是它无法解释当地土壤中某些金属元素 - 比如镍和铱 - 的超量。 另一条则与我们下面要介绍的内容有关, 那就是反物质在宇宙中极其稀少, 几乎没有任何天然的机制能使它们汇聚成足以造成通古斯大爆炸的数量, 并安然飞到地球。

三. 恼人的不对称之谜

反物质被发现之后, 宇宙中到底有多少反物质很自然地成为了一个令人关注的问题。 对于这一问题, 物理学家们曾经有过一些猜测性的想法。 早在 1933 年, 狄拉克在其诺贝尔演讲中就曾表示, 如果正反物质的物理性质是对称的, 那么宇宙中完全有可能存在由反物质组成的星球。 如果将这种猜测发挥一下, 那么我们还可以设想宇宙中不仅存在由反物质组成的星球, 甚至还可能存在由反物质组成的更巨大的结构。

但随着理论和观测的逐步深入, 这种初看起来不无合理性的猜测渐渐暗淡了下来。

首先可以明确的是: 由于反物质与物质会相互湮灭, 因此在地球上象发现煤矿或铀矿那样发现 “反物质矿” 是完全不可能的。 不仅如此, 反物质在整个太阳系中的存在也是微乎其微的, 因为否则的话, 由太阳发出, 被称为太阳风的粒子流与反物质之间的湮灭应该早就被发现了。 再往远处看, 情况也没有实质的改变, 迄今为止并无任何确凿的证据, 表明宇宙中可能存在大规模的天然反物质源。

事实上, 不仅没有确凿的证据表明宇宙中存在大规模的天然反物质源, 相反, 却有不少证据表明我们的宇宙是正反物质高度不对称的, 任何宏观的天然反物质源都是基本不可能的。 这是因为如果宇宙中物质和反物质并非高度不对称, 那么在宇宙演化的过程中, 物质将会与大量反物质发生湮灭, 从而直接或间接产生大量光子 - 远比我们所观测到的光子多得多。 这表明, 在我们这个宇宙中物质是主人, 反物质只是稀客。 这稀客不仅数量稀少, 而且分布稀疏, 因为没有一种天然的物理过程, 可以将反物质有效地汇聚起来, 并在这一过程中免遭物质的 “致命骚扰”。

既然我们这个宇宙是正反物质高度不对称的, 那么一个很自然的问题就是: 为什么会有这种不对称? 对此, 科学家们有过两类截然不同的看法。 其中第一类看法认为正反物质的不对称是由宇宙的初始条件决定的, 或者说是 “先天” 造就的。 显然, 这类看法比较消极, 几乎是在回避问题。 令人欣慰的是, 这种 “偷懒” 的看法在暴胀宇宙论出现后受到了沉重的打击。 按照暴胀宇宙论, 宇宙在大爆炸之初曾有过一个膨胀速度惊人的所谓 “暴胀” 阶段, 经过这样的 “暴胀”, 即便宇宙的初始条件是正反物质不对称的, 也早已被稀释掉了。 因此初始条件的不对称 - 无论其存在于否 - 都不能解释今天所观测到的正反物质不对称。

初始条件既然不足以解释正反物质的不对称, 那就只能寄希望于具体的物理过程了, 这就是第二类看法。 这类看法认为我们今天观测到的不对称是由某些特定的物理过程产生的。

那么究竟什么样的物理过程才能造成正反物质的不对称呢? 这又是一个很困难的理论问题。 对此, 俄国的氢弹之父萨哈洛夫曾经做过思考, 并于 1967 年提出了这种物理过程所需满足的三个条件。 这些条件后来被称为萨哈洛夫条件, 它在研究正反物质不对称之谜中有着举足轻重的地位。 人们能否揭开正反物质不对称之谜, 很重要的一点就要看能否找到一个满足萨哈洛夫条件, 且在具体数值上与观测相一致的物理理论。 过去几十年里, 物理学家们在这方面做了很多努力, 也提出了许多模型, 但迄今为止, 那些模型要么数值结果太差、 要么求解难度太大、 要么过于特设、 要么过于任意, 尚无一个能够令人满意。 不过, 从很多理论模型都能满足萨哈洛夫条件这一情况来看, 现代物理学最终为正反物质不对称之谜找到一个合理解释的前景还是比较光明的。

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