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研究反物質:尋找另一個“我”

http://finance.sina.com   2020年03月18日 18:20   北京新浪網

  來源:科學大院

  近日,來自歐洲核子中心(CERN)的阿爾法合作組(ALPHA collaboration)報道了氫原子的反物質對應物即反氫原子能級結構中的特定量子效應——精細結構(fine structure)和蘭姆位移(Lamb shift)。這些量子效應存在於物質原子中,而尚未在反物質原子中發現。此類研究有助於揭示物質和反物質之間的區別。這一結果發表在最新的《自然》期刊上,測量顯示反物質原子的特定量子效應與“普通”物質原子中的理論預言相一致,這爲將來進一步精確測量反物質的特定量子效應和其他基本性質奠定了基礎。

  “發現正反物質之間的任何區別都可能動搖粒子物理標準模型的基礎,這些新的實驗測量是關於反物質相互作用的方面——比如說蘭姆位移——對於這些結果我們已經期盼了很久。”阿爾法實驗的發言人傑弗裏·亨斯特(Jeffrey Hangst)表示。“我們下一步的計劃是使用最先進的激光冷卻技術來大規模地冷卻反氫原子。這些技術的應用將會極大地促進反物質的研究並且能夠以前所未有的精度來探測物質和反物質之間的區別。”

  阿爾法合作組通過將歐洲核子中心的鈉-22(22Na)放射源輻射出的正電子和反質子減速器AD(Antiproton Decelerator)輸送的反質子結合製造出了反氫原子,並將這些獲得的反氫原子通過磁籠約束在超高真空環境中,這樣做是爲了避免反氫原子與物質結合被湮滅掉。然後通過激光照射到反氫原子上獲得激發光譜。這些技術讓科研人員實現了對反氫原子的特定量子效應如精細結構和蘭姆位移的測量。這些量子效應會導致原子特定能級的微小劈裂,這是首次在實驗中研究反氫原子的特定量子效應。一個世紀以前,物理學家正是通過氫原子的精細結構,確定了基本帶電粒子之間的電磁相互作用強度的常數——精細結構常數(fine structure constant)——約爲1/137。1947年在氫原子中發現的蘭姆位移,則是量子電動力學發展過程中的關鍵實驗基礎。量子電動力學描述的是物質和光之間的相互作用。1955年,威利斯·藍姆(Willis Lamb)由於藍姆位移的發現而獲得諾貝爾物理學獎。近日去世的著名物理學家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)也是量子電動力學的奠基人之一。

 圖一 阿爾法實驗的核心裝置示意圖(圖片來源: Nature article) 圖一 阿爾法實驗的核心裝置示意圖(圖片來源: Nature article)

  什麼是反物質?——科學而非科幻

  對許多人來說,反物質聽起來科幻得都近乎玄幻,同時也是最危險的存在。在丹·布朗的懸疑驚悚小說《天使與魔鬼》中,“光照派”教徒從歐洲核子中心地下實驗室偷取大量反物質製造出反物質湮滅彈埋藏在梵蒂岡,試圖在教皇選舉日一舉毀滅天主教中心。這部小說後來改編爲由湯姆·漢克斯主演的同名電影。對於中國讀者來說,丹·布朗的另一部小說《達芬奇密碼》則更爲出名。小說和電影中既包含關於暗物質的科學真相,也包含科學幻想。那麼,哪些是真相?哪些是幻想?

  什麼是反物質?物理學對反物質的定義:反物質是物質的對應物,二者物理性質相似,但是所有的量子數都反號,如電荷量。

  讓我們從最簡單的電子說起。電子帶有一個負電荷。那麼,與電子對應的反物質“反電子”(antielectron)或者說“正電子”(positron)則帶有一個正電荷。正電子和電子的質量一樣,但是電荷卻相反。

  早在1928年,英國物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)將量子理論和狹義相對論結合,寫出電子在高速運動下的薛定諤方程,被稱爲狄拉克方程,這一方程爲狄拉克贏得了1933年的諾貝爾物理學獎。如同方程x2=4有兩個根(x=2或者x=-2)一樣,狄拉克方程也有兩個可能的解,一個解表示電子擁有正能量,叫做正能解,另外一個解表示電子擁有負能量,叫做負能解。

  但是經典物理學和常識告訴我們,一個粒子的能量總是正值,不可能是負值。狄拉克創造性地將負能解理解爲反粒子的能量,他認爲對於每一種粒子(particle),都存在一個對應的反粒子(antiparticle),這兩種粒子性質相同,只有電荷是不同的。比如與電子對應的反粒子是正電子。這種解釋爲人類打開一個全新的“物質世界”——反物質世界。

  在1932年,卡爾·安德森(Carl Anderson)在研究宇宙射線的時候發現了正電子,從而證實了狄拉克這一大膽的預測。這一發現啓發人們:是不是每一種粒子都存在和它的性質相同卻帶有相反的電荷的反粒子(事實上,不帶電的粒子也有反粒子,它的反粒子也不帶電,比如光子的反粒子是它本身,但是K0介子的反粒子並不是它本身,而是`K0——現代粒子物理學中,介子一般由正反兩個夸克構成,如K0介子,重子一般由三個夸克構成,如質子和中子)。

  科學家開始通過各種方法去尋找反物質。根據宇宙射線中發現正電子的成功經驗,他們試圖在宇宙射線中尋找反質子,但並未發現。1954年美國加州伯克利開始運行高能質子同步穩相加速器Bevatron。次年,Bevatron合作組首次發現反質子,文章發表在該年11月1日的《物理快報評論》(Physical Review Letters, PRL)上,這是首次觀測到帶有負電荷的反質子。1956年,Bevatron合作組發現反中子。如今,歐洲核子中心(CERN)的物理學家們在實驗中製造“大量”反物質用於研究。歐洲核子中心的反質子減速器AD(Antiproton Decelerator)就是一臺將產生初期的高速反質子減速用於研究反質子或者反原子性質的儀器。

圖二 歐洲核子中心反質子減速器大廳中的阿爾法實驗(圖片來源: CERN news)圖二 歐洲核子中心反質子減速器大廳中的阿爾法實驗(圖片來源: CERN news)

  如何獲得反物質?——貌似簡單實則不易

  要獲得反物質並不是一件容易的事情,但也並非不可能。

  首先,你要理解愛因斯坦那個著名的質能方程E=mc2。這個方程告訴我們,質量和能量是等價的。可以通過一些手段,將質量轉化爲能量,也可以將能量轉化爲質量。相信大家對質量轉換爲能量的例子並不陌生——核裂變和核聚變——虧損的原子核質量轉化爲巨大能量並釋放,這爲我們人類永久解決能源問題帶來曙光。

  那麼現在你要獲得反物質,即“製造”一定質量的反粒子,理論上只需要將一定的能量轉化爲質量就可以。你要獲得的反物質粒子質量越大,需要消耗的能量也就越大。但是,能量轉化出來的並不只有反物質,還伴隨有等量的物質產生。

  製造越重的反粒子需要的能量就越大,比如質子的質量大概是電子質量的2000倍,那麼製造反質子需要的能量也至少是正電子的2000倍。科學家通過高能加速器將粒子加速獲得高能,高能粒子碰撞之後釋放的能量會產生正反物質對。這就是我們所熟知的高能粒子加速器,比如北京正負電子對撞機BEPC、歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC、日本國家高能物理研究所的高亮度正負電子對撞機B工廠、美國斯坦福直線加速器SLC等。

  如果你只是想獲得輕的反物質,比如說正負電子對,高能光子就足夠了。高能光子可以是一種特別的電離輻射——γ輻射。一些原子核衰變可以產生γ輻射。當然,還有的原子核衰變可以直接產生正電子,這是一種β輻射,大部分的β輻射產生的是電子,只有少部分直接產生正電子。我們生活中常見的一種水果中富含的某種元素衰變就可以產生正電子。這種水果就是香蕉!香蕉中富含鉀元素K,缺鉀的人可以多吃香蕉補充鉀元素。天然的鉀元素中大部分是39K,也包含少量39K的同位素40K。40K具有放射性,可以通過放射出一個電子變爲鈣40Ca,也可以放射出一個正電子變爲氬40Ar。不過你儘管放心大膽地吃香蕉,不必擔心輻射也不必擔心正電子會把你湮滅掉,因爲天然鉀中放射性同位素40K的含量太低了,我們不能“耍流氓”——離開劑量講毒性。

  實際上,現在一種分辨率很高的醫學影像設備叫正電子發射斷層掃描儀(PET/CT),已經較爲廣泛地用於醫療檢測。PET/CT由PET和CT兩部分組成,PET顯像是將發射正電子的核素引入人體內,發射出來的正電子與體內的電子發生正反電子湮滅轉換成高能光子射至體外成像,PET/CT最終分別給出PET的圖像、CT的圖像以及聯合圖像,這對於精確確定病竈和病竈的變化非常重要。

  如果我們周圍有反物質——不僅僅是香蕉產生的正電子,宇宙射線中也有正電子,別忘了發現的第一個反物質粒子就是宇宙射線中的正電子——那麼一個麻煩的問題來了:那麼它們哪裏去了,爲什麼消失不見了?當然並不是憑空消失了,這是因爲身處物質世界中,反物質粒子一旦產生並遇到對應的物質粒子,就會被湮滅掉,湮滅的正反物質對會放出高能的雙光子。

  反物質湮滅彈是真實的嗎?

  ——科學但並非合理   

  如果0.5克的反物質和0.5克的物質碰撞湮滅,會發生什麼?我們只需用質能方程做個簡單的乘法就知道了:E=mc2,其中質量m是正反物質的總質量1克,c是真空中的光速約爲30萬公里/秒,這樣湮滅之後你會得到90,000,000,000,000(九十萬億)焦耳能量。食用一根普通香腸(約75克)爲身體提供的熱量是300大卡(千卡),約爲1,200,000焦耳。如果將0.5克反物質湮滅產生的能量換算爲提供熱量的香腸的數量,你需要約7200萬根。那如果是換算成美國曾用於實戰的“胖子”原子彈是多少呢?“胖子”爆炸產生的威力爲20000噸TNT當量,1克TNT爆炸釋放的能量是4181焦耳,那麼很容易得到0.5克反物質湮滅釋放的能量超過1000個“胖子”!所以,反物質湮滅彈的威力要遠遠超過核武器。這也就是爲什麼《天使與魔鬼》中的“光照派”要偷取歐洲核子中心實驗室中的反物質製造反物質湮滅彈試圖毀滅梵蒂岡的原因。不過對於“終極大殺器”反物質湮滅彈來來說,這真是太“大材小用”了!不過幸運的是,即使只有0.5克的反物質,從技術上來說要製造和保存也幾乎是不可能的。

  電影中沒有告訴你的是,“光照派”是用什麼容器盛放反物質的。這類似於一個經典疑難:一個科學家發明了能夠溶解一切的藥水,那這個藥水要裝在哪裏?天然形成的反物質或者人工製造的反物質,一旦遇到物質粒子,就會被湮滅掉。這比能溶解掉一切的藥水更加麻煩。我們要把反物質放在哪裏呢?

  想要儲存一個反原子已經是很難的事情了。你不可能將反物質放入一個普通的盒子儲存起來,因爲它馬上就會發生湮滅而消失。爲了避免反物質和物質直接接觸,必須要放入真空環境中,而真空又需要密閉,密閉的容器必然是物質做成的,你還需要避免反物質運動與容器壁碰撞接觸。這個時候,你需要強的電磁場將反物質約束在一定空間內。科學家使用一種叫潘寧阱(Penning Trap)的電磁約束裝置。

 圖三 一種潘寧阱結構及離子在阱中的運動軌跡示意圖(圖片來源: CNKI) 圖三 一種潘寧阱結構及離子在阱中的運動軌跡示意圖(圖片來源: CNKI)

  因此,最大的困難是如何儲存製造出來的反物質。產生普通的反物質粒子並不十分困難(當然是對當今科學來說)。你只需要特殊的放射源就可以產生正電子,如鉀-40或者鈉-22。產生反質子就需要高能粒子加速器。因爲反質子是在高能粒子加速器裏面產生的,所以會做高速運動。這個時候你需要將反質子降速,用到的儀器是反質子減速器,高速正電子也需要降速。反質子和正電子都降速之後,讓二者相互接近,則會有一定的機率產生反原子,這樣製造出來的是最簡單的反原子——反氫原子。經過前面的步驟,你就可以儲存並分析反原子的行爲了。注意,上述所有過程都需要在真空電磁約束環境下進行!

  你現在應該知道,《天使與魔鬼》中的大反派偷取歐洲核子中心的反物質還做成湮滅彈運到梵蒂岡,是多麼“玄幻”的任務啊!

  爲什麼研究反物質世界?

  ——細思極恐的科學  

  製造和貯存反物質如此困難,那爲什麼我們還要研究反物質、甚至是反物質世界呢?

  反物質只是和普通物質性質相同,電荷相反。這只是物理學家的假設。反原子發出的光和物質原子發出的光是一樣的嗎?反物質物體也會在重力作用下做落體運動嗎?根據反物質對應的物質的性質,我們假設是這樣的,但其實我們並不知道。我們得到的反物質太少了,儲存又如此艱難!

  隨着科學的進步,已經有很多針對反物質性質探測的實驗——驗證反物質原子的能級結構、精細結構、蘭姆位移等就是這樣的實驗——物理學家們開始逐步揭開反物質的神祕面紗。事實上,反物質遠不止這麼簡單。圍繞着反物質還有許許多多的問題,其中最基本的問題就是反物質哪裏去了?爲什麼我們的世界是物質的而不是反物質的?這涉及到我們現在宇宙存在的合理性。

  根據大爆炸理論,宇宙產生初期,高能能量基團產生出等量的物質和反物質,產生的正反物質對又會湮滅。這一過程伴隨着宇宙的膨脹循環往復。在膨脹過程中,宇宙慢慢冷卻下來。正反物質對產生過程終止,現存的正反物質應該是等量的。

  然而事實並非如此。我們的宇宙幾乎只由物質構成,如果有大量反物質存在,就會不斷有湮滅過程產生,即使距離我們很遠,依照人類現在的觀測手段來講,也是能夠觀測到的。但是我們並沒有看到。我們的物質世界主要是由粒子而不是反粒子構成,這就是著名的正反物質不對稱性謎題或者叫電荷-宇稱不守恆(CP破缺)。

  1956年,華裔美籍物理學家楊振寧(Chen Ning Yang)(現爲中國籍清華大學教授)和李政道(Lee Tsung-Dao)發現了弱相互作用下宇稱不守恆。同年,華裔美籍女物理學家吳健雄(Wu Chie-Shiung)用鈷-60的弱衰變證明了楊-李的理論。次年,楊、李二人即獲得諾貝爾物理學獎。正是由於正反物質不對稱,才造成我們今天的宇宙主要由物質而不是反物質構成,即使這種對稱性破缺程度只有百萬分之一,當今宇宙的存在就是合理的。

  粒子物理的標準模型告訴我們,任何一種物質基本粒子都存在對應的反粒子,當然有的粒子的反粒子就是它本身,比如光子,夸克對應的反粒子是反夸克,根據夸克模型,歐洲核子中心製造出的反質子是由兩個反上夸克和一個反下夸克構成的,即p(`u`u`d),而質子是由兩個上夸克和一個下夸克構成的,即p(uud)。

  那麼,我們又如何區分正反物質的,比如電子和正電子呢?物理學家使用磁場就可以做到。帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而改變運動狀態,這樣就可以將正電子和電子區別開來。當然你還需要從質量以及其他量子數的檢測來確定它就是電子的對應夥伴——正電子,而不是其他帶正電的粒子。

  也許有人會問,怎麼知道世界是物質的而不是反物質的呢?這是因爲我們先發現的物質,“物質”和“反物質”只是兩個名稱而已。如果在另一個宇宙中,科學家爲宇宙的組成命名爲“反物質”,那麼它們就是一個“反物質”世界。說不定,有一個“鏡中”的世界,存在於我們的平行時空裏,那裏也有一個你的對應者!

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