反物质 详解与解析.doc

反物质离我们有多远导读 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。”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。”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（310-8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。 ”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