欧洲科学家首次长时间捕捉到反物质(图)

　　欧洲核子研究中心(CERN)是一个庞大的科研机构，除了LHC的相关实验之外，还有上百个实验在同时进行，而大部分的实验，最终的目的都是一个：解开宇宙起源之谜。我们知道建造LHC的最主要目的是为了寻找闻名却未见的希格斯子，但CERN还有很多其他的事情要做。比如说按照现行理论，宇宙大爆炸时同时出现了物质和反物质，但是两者却无法共存，但为什么今天的宇宙只有物质但没有反物质呢？反物质到底是什么东西？随着技术的进步，这也成了物理界越来越引人注意的话题。

　　11月底，CERN发布的一个突破性消息引起了人们的广泛关注。反氢激光物理设备(ALPHA)坐落于CERN的主楼群，仅有40位科学家为此工作。正是他们首次长时间捕捉到了反物质。尽管这个发现借用了LHC的成果，但其实验和LHC的思想完全相反，不是加速，而是“减速”。

　　和其它物理界的发现一样，反物质首先也是“思想实验”。早在79年前，英国物理学家狄拉克就试图把量子理论和狭义相对论结合在一起。这是两个互不兼容的基本物理理论。狄拉克发现，反物质必定存在。1932年，人们在实验中寻找到了狄拉克设想的正电子，其质量、带电量与电子完全相同，只不过它带的是正电(电子带负电荷)。

　　随后，人们逐渐发现了各种基本粒子对应的反物质。“反物质就像是物质在镜子中的像。它和对应基本粒子的质量完全一样，却具有相反的其他量子性质。”ALPHA实验发言人杰弗瑞(Jeffrey Hangst)在接受本报记者采访时说，“质子带正电，反质子带负电；电子带负电，正电子带正电……”

　　按照目前解释微观世界最好的理论模型，宇宙大爆炸时，同时产生了物质和反物质。今天，NASA的天文学家们也观察到，在遥远的宇宙区域———也就是我们所能看到的早期的宇宙，似乎存在物质和反物质碰撞后产生的伽玛射线踪迹。不过今天的宇宙却是由物质而非反物质组成的。“自然选择了物质，反物质似乎消失了。没有人知道为什么。”

　　宏观世界中，很多东西都是对称的。微观世界也是这样。在“标准模型”中，有着一个对称定律，认为量子场论方程所有允许的解，都依据这个对称定律，物质所遵循的物理法则，反物质也同样遵循。这个对称定律由三个字母组成：C、P、T，它们意味着三方面的对称：电荷共轭变换、宇称(左右)、时间反演。在随后的岁月中，不少物理学家们靠研究对称性问题拿下了诺贝尔奖。其中很多人研究的是“对称破坏”，即在一些物理过程中，一些对称性(特别是C和P的对称)被破坏了。

　　“CP对称破坏”是描述今天宇宙中物质数量超过反物质的重要解释之一。目前，有很多科学实验都在对这个现象进行验证，希望通过反物质研究了解到对称性定律及标准模型的有效性。

　　LHC的四大探测器之一LHCb研究的主要就是反物质和对称性问题。但ALPHA实验却和LHC几乎没关系，和LHCb的实验目的和方法也截然不同。在这里科学家们同样选择了氢，氢原子和反氢原子都只有一个质子和一个电子，结构非常简单。

　　两个反氢原子的原料分别是这么制作的，将定向质子束射向一小片铱，高能碰撞会生成反质子，再加以分阶段冷却。由放射性钠衰变产生正电子也加以冷却。“我们借用了对撞机中产生的反氢质子，所以我们还是依附于CERN的实验。但设备和实验都是我们自己设计。”杰弗瑞告诉本报记者。

　　在ALPHA并不大的实验室里，层层的管道连到磁场上方的探测器。在这里工作的科学家设计了一个改变速度的设备。它并不是另一个加速器，而是一个减速器。科学家将已有的反质子和正电子放在一起，令其生成反氢原子，然后让它逐渐减速，以便在一个像浴缸一样的磁场中将其“捕获”。

　　反物质无法与物质共存，因为两者一旦接触，便会同时消失并转化为能量，转化的能量形式如光子，这个过程用术语叫做“湮灭”。该过程产生的能量十分巨大。

　　ALPHA的实验结果却跨过了这个门槛。首先，实验必须在真空中进行，科学家设计了一个真空管道，排除了绝大部分的空气物质。反氢原子是中性的，没法通过电荷来捕获，怎么逮住它呢？杰弗瑞介绍，尽管电中性，反氢原子还是带有微弱的磁场，可以对磁场做出反应。

　　在热力学上，温度体现的是物质粒子的动能。理论上说，如果物质粒子达到绝对零度时，它应该完全静止。所以，温度越低，粒子的速度越慢。科学家们让来自LHC的高能反氢质子减速冷却，最后让-70℃左右的反质子束和更冷的正电子束进行对撞，一些反质子和正电子结合形成了反氢原子。如果说LHC的目的是令粒子更快、更热、更重，那这个实验中，原子则变得更冷更慢，其中速度最慢的反原子，温度仅有-.cn

　　新浪科技讯 北京时间1月14日消息，据国外媒体报道，反物质是一种极其神秘的物质，它们与普通物质一起构成了整个宇宙。但长期以来，反物质究竟是如何产生的一直是一个未解之谜。德国的科学家近日称，他们目前已经找到答案：反物质是由中子星和黑洞撕裂恒星产生的。

　　在1月10日出版的《自然》杂志上，德国马普研究所地外物理学家乔治-威登斯波恩特及其同事详细公布了他们的这项最新发现。乔治-威登斯波恩特称，当一颗相对寻常的恒星在绕其旋转的黑洞或中子星的作用下分崩离析，科学家们称之为“低质量X射线双星”。研究人员们推算，这种“低质量X射线双星”可以每秒喷射出近10的41次方个正电子。这些正电子占了科学家们推断的反物质的很大一部分，从而极可能排除其它各种有关反物质的异说。乔治-威登斯波恩特说：“根据简单初步的统计，我们认为一半甚至可能所有的反物质都来源于X射线双星。”目前，科学家们已经见证了反物质的死亡，他们希望同样能看见反物质的诞生。

　　乔治-威登斯波恩特说，每种基本粒子都有相应的反粒子，它与原来的粒子相比，只是所带的电荷和其他量子数相反，其余构造完全相同。正因为带的电荷相反，所以它们的一些性质也完全相反。许多物理学家认为反粒子是由原来粒子的内部结构被“镜面倒转”以后得到的。由反粒子构成的物质叫反物质。当粒子和反粒子相遇时，它们就会同归于尽。我们的银河系完全是由普通物质构成的，所以一旦制造出一个反粒子，不管是在实验室里还是在星球内部，在它遇到一个粒子并湮灭以前只能存在一微秒。许多宇宙学家还这样推测：在开天辟地的那个时刻，物质和反物质就分离开，构成了两个宇宙，一个称做“宇宙”，另一个则是“反宇宙”，它们互相排斥并且以很大的速度互相远离。

　　另外一名参与了此项研究的科学家斯奇纳解释说：“尽管目前对于是黑洞产生了中子星和其它物质，还是中子星产生了黑洞和其它物质下定论还过早，但是这种现象的确非常有意思，然而我们现在还很难界定包含黑洞的X射线双星和包含中子星的X射线双星之间的差别。据估计，一克反物质与正物质结合时，放出的能量相当于世界上几个最大水电站发电量的总和。科学家预测假如利用反物质推动太空船，六星期到达火星将不是梦想。但是，要利用反物质，就必须首先找到反物质，在地球上人们尚未找到可利用的反物质。令人可喜的是科学家发现在地球之外十分遥远的银河系中心存在一个反物质源，它喷射出一个反物质喷泉，这些反物质能不能为人类所利用至今还是个谜。”

　　英国物理学家狄拉克1930年提出电子有两种，除了有带负电荷的电子外，还有带正电荷的电子，这两种电荷恰好一正一反，带负电荷的电子叫正电子，带正电荷的电子叫反电子。长期以来，人们一直认为电子只有一种，所以对狄拉克的预言半信半疑。没想到两年以后狄拉克的预言得到了证实，美国物理学家安德森在实验室果然发现了反电子。后来人们陆续又发现了反质子、反中子等等各种各样的反粒子。于是科学家们设计好方案进行实验，功夫不负有心人，科学家们终于在实验室得到了结构比较简单的反氘，这说明反物质的设想并不荒唐。反物质这东西很神秘的，只要一露面，立即就会与正物质结合，同时放出大量的能量。据说1908年中西伯利亚的通古斯大爆炸就是由于天外飞来一块由反物质组成的陨石，反物质与正物质通古斯河上空结合放出大量能量而造成的。

美国宇航局正电子飞船概念图

美国宇航局正在开发的正电子发动机艺术概念图

　　据美国宇航局网站14日报道，科幻故事中大多数飞船都是用反物质作为燃料，原因就是反物质是已知最有效的燃料。若要实现人类载人火星探索的伟大梦想，我们需要数吨化学燃料，相反，若使用反物质，则仅需数十毫克。然而，事实上，这种动力的诞生也伴随着代价。有些反物质的反应会生成大量高能伽马射线。伽马射线就如同照射在类固醇上的X光一样，它们能穿透物质，分解细胞内分子，因此，它们会对人体有害。另外，高能伽马射线由于会使制造发动机材料的原子破裂，会让发动机本身也具有放射性。

　　美国正在开发反物质飞船

　　美宇航局(NASA)先进概念研究所(NIAC)正在资助一个研究小组从事将反物质作为未来飞船燃料的开发工作，这种飞船会生成低能伽马射线，从而避免了射线产生的副作用。

　　反物质有时也被称为常规物质的镜像，因为虽然它们看上去与普通物质没什么区别，但反物质的一些特性是颠倒的。例如，正常电子(携带有从手机到 电视等所有物体上电流的常见粒子)有负电荷。正电子(Anti-electron)则具有正电荷，所以，科学家称其为“正电子”。当反物质同物质相遇时，二者会以瞬间能量湮灭。这种能量转化过程也正是反物质如此强大的奥秘所在。即便是为原子弹提供动力的核反应也比这种能量转化慢，且只有其质量的3%转化成能量。

　　此前的反物质动力飞船设计所采用的是反质子，反质子在湮灭时能产生高能伽马射线。新设计将采用正电子，这将使伽马射线的能量是原来的四百分之一。先进概念研究所目前展开的工作只是初步研究，旨在证实上述方案是否具有可行性。倘若前景广阔，先进概念研究所就可以吸收足够资金成功开发该技术，正电子动力飞船将比现有载人火星探索计划(称为“火星意义任务”)具有更多优势。

　　反物质飞船优势多多

　　美国新墨西哥州圣大菲正电子研究公司(Positronics Research)杰拉尔德·史密斯博士说：“最为显著的优势是正电子动力飞船具有更高的安全性”。目前的火星参数任务(Mars Reference Mission)要求核反应堆将飞船推进至火星。这种方式之所以值得期待，是因为核动力推进可以减少飞船到达火星的时间，这样一来，由于宇航员暴露于宇宙射线的时间减少，从而提高了安全性。此外，化学动力飞船要重得多，且发射成本也更为昂贵。核反应堆也需提供够执行三年探测任务的充足动力。但是，核反应堆性质复杂，所以在执行任务过程中更有可能发生一些潜在危险。作为领导先进概念研究所反物质飞船研究的科学家，史密斯博士 说：“正电子反应堆在能提供相同优势的前提下，运作起来也要相对简单。”

　　同时，核反应堆即使在燃料用尽后仍带有放射性。当飞船到达火星后，“火星意义任务”的计划是指引反应堆进入百万年都不会与地球相遇的一条轨道，那时，残留辐射将降低至安全水平。相反，据反物质飞船设计小组介绍，正电子反应堆在燃料用尽之后也不具有任何残留辐射，因而，即便是废弃的正电子反应堆意外落到地球，人们也不必担心存在安全隐患。

　　同样，正电子动力飞船的发射也更为安全。倘若携带核反应堆的 发生爆炸，它将向大气层中释放大量放射性粒子。史密斯博士说：“我们的正电子动力飞船即便爆炸，只会释放一道伽马射线光，但伽马射线会在瞬间消失，不会有任何放射性颗粒随风漂移。而那道光也会限制在相对小的区域内，飞船周围约一公里的范围会是危险区。一枚普通的大型化学火箭爆炸后会形成一个火球，其危险区域同样也是一公里左右。”

　　正电子动力飞船的另一个显著优点是速度。“火星意义任务”飞船到达火星将需要180天左右。正电子研究公司工程师科比·迈耶说：“诸如气核和烧蚀发动机等先进设计将令飞船在90天、甚至45天内将宇航员送上火星。”先进的烧蚀发动机通过热行(运转用热)实现上述目标，这种推进方式可增加发动机功效或“比冲量”(Isp)，比冲量是指火箭发动机单位质量推进剂所产生的冲量：比冲量越高，飞船在耗尽燃料前行进的速度越快。像美宇航局 主发动机等最为先进的化学燃料火箭发动机，每磅燃料能产生一磅推动力，持续450秒。核反应堆或正电子反应堆的这一数据则会达到900秒。烧蚀发动机通过自身缓慢蒸发产生推力，其比冲量更高。

　　仍然面临巨大的技术挑战

　　科学家成功研制正电子动力飞船所面临的第一个技术挑战是，制造正电子的成本过高。由于会对正常物质产生令人难以想象的影响，反物质数量并不多。在太空，反物质是由称为宇宙射线的高速粒子碰撞所产生的。而在地球上，反物质则是在高能粒子对撞机中生成的，这种机器能将原子碾碎。高能粒子对撞机通常用于发现宇宙基本运作方式，但它们也可用作“反物质加工厂”。史密斯博士说：“据粗略估计，利用目前正在开发的技术生产10毫克用于载人火星探测任务的正电子，大约需要投入.cn

　　德国《明镜》周刊11月10日报道，美国空军正投巨资展开一项名为“革命性弹药”的研制计划，计划的主要内容是加紧研制“反物质”武器。有关专家称，在15年后就能制造出“反物质”发动机的原型机来，但成本高达200亿美元。

　　生活中充满着物质，称之为“正物质”，正物质的原子由带正电的质子、不带电的中子和带负电的电子组成。“反物质”的原子中由同样数量的质子、中子和电子组成，但质子和中子所带的电荷刚好与“正物质”的相反。一旦一种反物质与对应的“正物质”相接触，两者就“灰飞烟灭”，同时释放出大量的能量。科学家很早以前就预言“反物质”的存在，并在30多年前在高速粒子加速器中制造出“反物质”。

　　“反物质”武器至少有两大优点。首先，它的能量很大。一毫克反物质就能释放出180兆焦耳能量，相当于22个美国航天飞机燃料箱储存的能量，这比通常爆炸物质的能量高出100亿倍，因此它既可以制造出重量很小但能量巨大的发动机，用来驱动飞行器，也可以制成杀伤力极强的武器。“反物质”武器的另一优点是它没有放射性，在这个意义下它“是干净的”，不会造成污染。

　　然而研制“反物质”武器还至少有两大难点。首先如何以低成本制造出反物质。目前在实验室条件下，制造出一毫克反物质需要1000亿美元，而专家估计在工业使用上可以承担的费用是1000万美元。其次如何贮存这些“反物质”也是难题，因为“反物质”一旦与“正物质”相遇就消失，目前科学家的方案是使用磁场形成一个“反物质陷阱”控制住“反物质”。不让它与由“正物质”制成的容器壁接触。这种方案早在1985年就由科学家提出，现在已经能在25千伏的能量水平上贮存10亿个反电子。

　　反物质的研究始于20世纪40年代后期，但进展缓慢。1986年，人类首次捕获到反质子，2002年较大批量地制造出了反氢原子。反物质在军事上有多种潜在用途，是目前正在研制的新一代核武器中最重要的一种，美国费米实验室、欧洲核子中心以及俄罗斯的高能物理研究所，都在进行反物质的生产和研究。

　　新华网东京4月16日电(记者钱铮)一个国际共同研究小组近日宣布，他们观察到了一种奇异的粒子与其反物质粒子迅速相互转换的现象，这种“物质-反物质振荡”将有助于理解为什么宇宙中看起来只有物质、没有反物质。

　　所有的粒子都有反粒子，两者的某些特性相同，而另一些特征相反。反物质由反粒子组成。宇宙大爆炸理论认为，宇宙诞生时产生的物质和反物质一样多，但今天的宇宙看上去完全由物质构成，反物质只在实验室中被少量制造出来。为什么宇宙偏爱物质？这是科学上的最大难题之一。

　　据日本《每日新闻》报道，由美国费米实验室、日本高能加速器研究机构以及其他多家科研机构共同组成的国际研究小组，利用加速器使质子和反质子相互撞击，制造出一种奇特的粒子——Bs介子，并连续多年研究它与其反粒子相互转换的现象，希望能找到解答上述问题的线索。

　　目前人类所知的物质构成最小单位是夸克，不同的夸克都有各自的反夸克。Bs介子由一个夸克和一个反夸克构成，是一种罕见的粒子，研究它奇特的性质有助于深入了解粒子的行为和宇宙的演化过程。根据理论预测，Bs介子会转换成反Bs介子、随后又变回Bs介子，这一过程不断超高速地重复，就像物质与反物质在共跳一场狂乱的舞蹈。

　　由于Bs介子的物质-反物质振荡过程极快，非常难观测到，需要高度精密的粒子探测技术和大量数据样本。研究小组在分析了超过10亿次对撞事件的数据后发现，Bs介子和反Bs介子以每秒2.8万亿次的超高速度不断地相互转变。这是科学家首次观测到Bs介子振荡的细节，有关论文即将发表在美国《物理评论通报》杂志上。

　　根据日本科学家提出的小林-益川理论，宇宙物质较多是因为夸克的反应衰变速率不同。对Bs介子振荡的精确观测结果，为这一理论提供了新的证据

人类通过20年的暗能量研究，可以说关于暗能量的物理本质，我们依然一无所知，而目前最新观测与目前所以的流行理论，又都难以吻合，这就让问题变的更加复杂。

现在科学家对暗能量的本质已经开始探寻，他们希望在10年内解决这个令人头疼的问题。

关于什么是暗能量，科学家提出了许多假设，现在科学界头号理论：认为加速宇宙膨胀的驱动力源自宇宙空间本身的属性，量子力学认为真空并非空无一物而是充斥大量虚的粒子和反粒子，他们同时产生又刹那之间相互湮灭。

其实这个理论等价于爱因斯坦的宇宙学常数，爱因斯坦用宇宙学常数来表示宇宙空间本身具有的均匀能量密度，这个假说认为，暗能量密度也是一个常数，不会随着时间和空间而变化。

第二种理论认为：暗能量也许是一种被称之为精致的能量场，这种能量场弥漫在整个宇宙之中，占据了空间中的每一个点，可以抵消引力的吸引作用。我们对“场”应该并不陌生，无处不在的电磁力和引力都是通过“场”来发挥作用，假如暗能量是一个场，那么它不太可能是一个常数，而且也可能随着时间的变化而变化，如此一来，过去的暗能量就有可能比现在更强或者更弱，它的强度对以后宇宙的演化也可能会有影响。

真空能这么会如此微小呢？而暗能量场在这个问题上表现的很好，理论研究者只需要假设与暗能量场相关的势能最低点非常小，就可以保证空间中只蕴藏少量的暗能量。不过这样的模型，同时也要求暗能量场与宇宙万物的相互作用极其微弱，这就难道把暗能量场假说，自然的整合进先有的粒子物理模型之中。

如果暗能量不是真空能，而是某种“未知的场”所携带的能量，宇宙的结局也许会更加的开放，宇宙可能会最终停止膨胀反而开始收缩，最终在大挤压中，将宇宙中所有的物质挤压到一起，重演一遍宇宙大爆炸。

宇宙也可能进入大撕裂状态，大到星系团，小到原子核宇宙一切复杂结构屈服于强大的暗能量而被撕扯的四分五裂。

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