反物质和有机物质

反物质和有机物质

a：广阔宇宙中许多未解的谜鼓励着我们继续探索。我们要讨论的宇宙反物质和暗物质,就是其中两个未解之谜。这里我们着重谈谈探索宇宙反物质和暗物质的科学意义,以及怎样用在空间站上的实验仪器去探索宇宙反物质和暗物质。乙:提起反物质:使我想起前些时候报导过这样的消息:欧洲核子研究中心的科学家,利用原子和反质子碰撞产生了反氢原子。尽管这种在实验室条件下产生的反氢原子的寿命很短,只有四百亿分之一秒,却引起了关心科学的公众极大的兴趣。这种反氢原子就是反物质吧?甲:是的。在介绍反物质之前,我们先要提到粒子和物质。这里所说的粒子,是微观粒子的简称。比如电子、中子、质子等等都是粒子。我们知道,物质是由微观粒子组成的。质子和中子组成原子核。带正电的原子核和带负电的电子组成原子。各种原子组成了宇宙中的各种物质。本世纪三十年代初,英国物理学家狄拉克提出反物质的假说。世界上所有的粒子都有它们相应的反粒子。例如,每一种夸克都有它的反夸克,每一种轻子都有它的反轻子。有电子就有反电子,也叫正电子。有质子就有反质子,有中子就有反中子。乙:反粒子和粒子就象一对兄弟,它们有什么相同的地方和哪些不同的地方呢?甲:反粒子与粒子这一对兄弟,有许多相同的地方,比如它们的质量相同,寿命也相同,等等。例如,电子和正电子的质量相同,质子和反质子的质量相同。同时,反粒子有许多与粒子相反的性质。以大家容易理解的电性与磁性来说吧:电荷有正、负之分,反粒子与粒子的电荷大小相等而符号相反。磁矩也有正负之分,反粒子与粒子的磁矩大小相等而符号也相反。此外,反粒子与粒子还有许多性质相反。例如有一种性质叫重子数,质子的重子数是+1,反质子的重子数是-1,所以质子和反质子的重子数大小相等而符号相反。已知在反应过程中重子数是守恒的,所以当由高能光子产生质子和反质子时,质子和反质子总是成对产生的(光子的重子数是零);而当反质子和质子碰撞时,它们会湮灭(湮音同烟,是埋没、消灭之意),反质子和质子一起湮灭了。乙:据我所知,湮灭是反物质的一个奇特的性质。当反粒子与粒子,或者反物质与物质碰到一起时会湮灭掉。但是这里的湮灭并不是把什么都消灭了。湮灭,会产生其它的正反粒子对,同时转化成巨大的能量。例如,一对正反质子湮灭释放出来的能量,比一个重原子核裂变或两个轻原子核聚变时释放出来的能量要大得多。所以有人想过,反质子可能是一种新的能源。但是,产生反质子是需要许多能量的。甲:是的。我们再来说反物质吧。电子是最轻的带电粒子,它带负电,正电子是最轻的带电反粒子,它带正电。反核子是指反中子和反质子,它们组成反原子核。反原于核与正电子组成反原子,各种反原子可以组成各种反物质。乙:我们知道,科学实验已经发现了许多反粒子。科学家曾分别在三十年代与五十年代在实验中发现正电子和反质子;1996年年初与年底,欧洲核子研究中心与美国费米实验室分别成功地研制出9个和7个反氢原子。甲:人们都知道正电子是三十年代安德逊发现的。但是实际上最早和正电子打交道的是中国科学家赵忠尧。早在二三十年代,赵忠尧测量硬γ射线通过各种物质的吸收系数,发现当硬γ射线通过重元素时,实际的吸收量大大超过了理论计算值,他把这个现象称为“反常吸收”。当时,英、德两国几位物理学家也进行这种测量,三处同时发现了硬γ射线在重元素上的反常吸收,都认为可能是由原子核的作用所引起。为了探索这种反常吸收的机制,赵忠尧还进一步做新的实验,观测重元素对硬γ射线的散射现象。他发现,当γ射线被重元素散射时,除康普顿散射外,伴随着上面所说的反常吸收,还有一种特殊的辐射出现,他把这个现象称为“特殊辐射”。后来安德逊发现了正电子,人们才认识到,“反常吸收”实际上是γ射线在物质中产生正负电子对的效应;而“特殊辐射”实际上是正负电子对的湮灭辐射。因此我们说赵忠尧是研究反物质的先驱者。乙:人们已经在实验室里产生各种反粒子,那么为什么还要探索宇宙反物质呢?甲:在我们周围并不存在稳定的反物质。实验室里能够用加速器产生极少量的反粒子,但它们很快就和物质粒子碰撞而湮灭了,此外,还有一些不稳定的放射性原子核会放射出正电子,它们也在物质中和电子湮灭了。所以我们平时见到的都是物质却见不到反物质。乙:我听说,狄拉克曾经指出:如果我们接受正、负电荷之间完全对称的观点,自然界中基本物理规律对于正、反物质有对称性,那么可以认为地球上(以及整个太阳系中)带正电的质子和带负电的电子占绝对优势的情况是一种偶然性,在某些天体中,情况将可能与此完全相反,在那里,可能是反质子和正电子占绝对优势。如果自然界中物质和反物质完全对称,则宇宙中天体和反天体可能各占一半。甲:我们的地球是物质,我们的太阳系是物质,按照“完全对称”的道理,应该有与它们对应的反物质,就是说应该有一个“反地球”,也应该有个“反太阳系”。而且,在宇宙里天体与反天体理应各为一半。乙:但是即使存在“反地球”,“反太阳系”以至“反星系”这些宇宙反物质,他们必须和物质隔开,因为反物质遇到物质时发生湮灭,而和物质隔开的反物质才能够稳定存在。这样看来,如果存在反天体和反星系,他们一定距离我们非常遥远,而且和物质的星系隔开。那么怎么能够探测到他们呢?甲:反物质的反原子、反分子发射的光子与光谱和正常物质的原子、分子发射的光子与光谱没有区别,所以不能用光学方法来探索宇宙反物质。有一种看法认为,虽然反天体和反星系距离我们非常遥远。但从反星系逸出的宇宙线可能进入我们的银河系。乙:我们有关太阳系以外宇宙物质的样本是由宇宙线提供的。到达地球表面的宇宙线有来自太阳的高能粒子,还有来自太阳系以外的高能粒子(其中主要来自银河系)。能量越高,粒子数越少。宇宙线中除了各种原子核外还有少量反质子和正电子,它们是高能宇宙线和星际气体碰撞时产生的次级粒子。甲:如果存在反星系,反星系中由反原子核构成的宇宙线有可能逸出反星系、穿过星际空间进入我们的银河系而到达地球。所以我们可以通过宇宙线的测量直接获得太阳系以外宇宙反物质的信息。由于实验技术的限制,以前探测宇宙反物质的实验测量都是在高空气球上做的。乙:据我了解,近年来,科学家曾经用高空气球进行反物质的实验。由于宇宙线在和空气分子中的原子核碰撞时遭到破坏,所以把探测器送到高空中大气最稀薄的地方进行实验,其中一项实验称为“高能反物质望远镜”(简称HEAT实验)。HEAT装置重达2300公斤,一个巨大的充氦气球使它上升到3.7万米的高度上,也就是越过99.5%的大气层。其它的高空反物质探测器还有“同位素物质一反物质实验”以及“气球载超导螺线管谱仪”等。甲:科学家还曾用高空气球在宇宙线中寻找较重的反粒子,例如如果有反氦核,就将证明某些反物质自大爆炸存在至今。而发现反碳核或反氧核就说明有反恒星的存在,因为碳以及比碳更重的所有元素只能在恒星中产生出来。乙:我有一个问题:反恒星不可避免会与来自星际空间的通常物质的粒子流相碰撞,随之而来的物质一反物质湮灭将是产生高通量的γ射线的强烈局部源。但没有任何探测器曾经观测到这样一种局部源,这说明银河系中不存在反恒星,同理,在本星系团中也不存在反星系。那么在更远的空间中情况又如何呢?甲:如果宇宙有大片区域是反物质构成的,那么在宇宙的早期阶段中物质和反物质重迭的地方会产生大量的γ射线。但是天文学家们没有探测到这样一种强烈的背景辉光。如果存在反星系的话,那它们必定位于现有的最好望远镜的观测距离以外,也就是至少在几十亿光年远的地方。乙:另外,上面提到,以接近光速的速度运动的较重的反物质粒子可能穿越把反物质区域同银河系分隔开来的广阔空间。即使遥远的反星系发射出较重的反粒子是可能的,但是星际空间的磁场也使这些反粒子无法到达地球。甲:不管怎样,关于在地球附近还是否有高能反原子核的问题,最终只能靠精确的实验来回答。阿尔法磁谱仪实验就是为了回答这个问题而设计的实验。阿尔法磁谱仪是在地球外的空间站上进行实验的。因为反物质会在地球大气层中湮灭,即使在高空气球处,也仍有剩余大气。此外,高能宇宙线穿过剩余大气时会与大气分子碰撞而产生次级粒子,其中包括反粒子,形成实验本底。因此需要在地球外面的空间中探测宇宙反物质,在空间测量可以避免这些本底。乙:下面我们来谈论怎样在空间站上用磁谱仪来探测宇宙空间飞来的原子核。甲:什么是磁谱仪?这是一个实验设备,里面有磁场和一些探测器,可以测量粒子在磁场里的运动和轨道,包括它的偏转方向,大小,它在磁场里的飞行时间以及在探测器中的电离能力等。乙:用磁谱仪怎样能测量到反物质呢?甲:我们知道,带电粒子在磁场中运动时,会发生偏转,它们偏转的方向和粒子的电荷有关,偏转的大小和粒子的动量(粒子质量和速度的乘积)有关。因此太空中飞行的带电粒子从磁谱仪的入口处进入磁场区域中时,他们在磁场中运动,轨道发生偏转。测量了粒子偏转的方向,就可以定出它的动量。同时还可以用飞行时间计数器测量粒子从磁场入口飞行到出口的飞行时间,从飞行时间的大小和粒子飞行的距离,可以计算粒子的飞行速度。此外,带电粒子在探测器里产生的电离大小和所带电荷大小和运动速度有关,因此测量电离有助于确定粒子的性质。甲:下面我们谈谈探索暗物质的问题。什么是暗物质呢?天文学观测到的星系旋转速率,表明星系可能位于一个巨大的暗物质晕圈中,这些暗物质不能通过通常的方法观测到,但是它们有万有引力作用。这当然是一种推测。按照这种看法,所谓暗物质是那些和光没有相互作用的物质。它们既不能发射光,也不能反射光。所以用光学方法或电磁波方法根本不可能观测到它们。但是暗物质具有引力相互作用,它们可以通过对天体的万有引力而表现出它们的影响。乙:有人认为:从天体物理的观测数据推算,宇宙中的暗物质几乎占所有物质中的90%。也许可以用一个不很恰当的比喻来说明:在海洋里有一座漂浮着的冰山,其中露出水面的是能被人们看到的一小部分,冰山的大部分却沉浸在海洋里,并没有被人们看到。如果把冰山的被看到的漂浮出水面的顶部比喻是可见的物质,那么还不了解的暗物质就是庞大的沉浸在海里的部分,它们比看得见的物质多得多。甲:如果说因为在实验室里已经产生了许多种反粒子和反氢原子,所以我们对反物质还比较熟悉,那么我们对暗物质则几乎一无所知,因为除了由天文学的观测间接推测存在大量的暗物质外,还没有直接的实验资料。究竟暗物质的本质是什么?至今谁也不知道。但人们对此有很多猜测。其中一种猜测是认为宇宙中充斥着一种稳定的粒子,叫作“弱相互作用重粒子”,假想的弱相互作用重粒子将是暗物质的一个极有可能的候选者,因为它既不发光,也不发出其它任何形式的电磁辐射。当然,还有许多其他的猜测。乙:既然在实验上很难直接观测到暗物质,那么怎么能用磁谱仪测量暗物质呢?甲:磁谱仪并不能直接地测量暗物质,而是间接地测量它们。因为有一种理论推测,如果存在预期密度的弱相互作用重粒子,这种暗物质相互作用时,可能产生高能的反质子、正电子和γ射线。我们已经说过用磁谱仪测量带电粒子的原理,所以用磁谱仪是可以测量这些粒子的。乙:前面提到的HEAT装置,记录到的低能正电子的数目非常接近于预期由星际碰撞产生的正电子的数目;而在高能区域中,HEAT装置发现的正电子的数目多于预期的数目。观测到的超额量并不特别大,很可能是测量误差所造成的结果。然而,如果这一差额确实存在,那就说明宇宙中有一个人们尚未认识到的高能正电子源。甲:如果存在着预期密度的弱相互作用重粒子,那么它们之间的碰撞将产生相当数量的高能正电子。这一过程可以解释HEAT装置所观测到的高能正电子过量现象。当然,必须用更高精确度的实验证实之后,才能够作出肯定的结论。阿尔法磁谱仪就是准备通过精确测量高能反质子、正电子和γ射线来探索这种假设的弱相互作用粒子。乙:我认为,如果暗物质的本质并不是上面提到的弱相互作用重粒子,那么阿尔法磁谱仪就不会测到高能反质子、正电子和γ射线过量现象,暗物质的本质就要用别的办法研究了。甲:是这样的。乙:我们是否介绍一下阿尔法磁谱仪的具体结构。甲:阿尔法磁谱仪包括永磁体和一组精密的粒子探测器。圆桶型的永磁体是由磁能级为4700万高斯·奥斯特的6000块铷铁硼构成。是高0.8米,外径1.299米,内径1.115米,重2吨的圆筒。筒内为1400高斯的平行均匀磁场。仪器接收度为0.8平方米*立体角,漏磁非常小,磁二极矩几乎为零。主体机械结构精度非常高,自重300公斤,可支撑3吨多重的整个探测器。AMS磁铁初样和反符合计数器在北京卫星环境研究所进行了震动实验;在中国水利科学院进行了加速高达17.79g的离心实验。主体结构完全达到了美国宇航局的安全要求。乙:阿尔法磁谱仪里面的粒子探测器有硅微条探测器、飞行时间计数器、反符合探测器等。硅微条探测器共有6层,安装在磁场内。它的功能是两维精确测量带电粒子在磁场中运动的轨道,给出带电粒子的动量和电荷种类(正和负)。它的位置分辨在带电粒子运动轨迹弯曲的方向上为10微米,在不弯曲的方向上为30微米。甲:飞行时间计数器由塑料闪烁体和光电倍增管组成,共四层,两层在AMS顶部,两层在底部;时间分辨为一百亿分之一秒。其作用是给出一级触发信息,测量粒子的速度和绝对电荷量。速度测量可达到3%的精度,再结合得到的动量参数即可确定粒子的质量。乙:反符合探测器由镶嵌波长位移光纤的16个塑料闪烁体和光电倍增管组成,由碳纤维加固圆筒支撑,紧贴在磁铁内壁。它的作用是与飞行时间计数器结合,排除穿入和穿出磁铁内壁的粒子。其探测效率达到99.999%。此外在AMS底部还有两层气凝硅胶探测器,因为它是可以鉴别电子和反质子,有助于暗物质的研究。甲:AMS磁谱仪的触发和数据获取电子学系系统,可以进行即时的数据收集并通过卫星传到地面站。乙:阿尔法磁谱仪实验是丁肇中教授领导下的一个大型国际合作的科学实验项目,包括美国、中国、瑞士、俄罗斯等十多个国家和地区科研人员参加,中国科学家在其中做了哪些工作?这些对我国空间技术有何影响?甲:这项实验得到了我国科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、航天工业总公司、冶金局等单位的大力支持,中国科学院电工所、高能物理研究所、中国运载火箭技术研究所、北京卫星环境工程研究所、中国水利科学研究院等单位参加了这项重大国际合作项目,并在其中发挥了关键的作用。中国的各单位进行的具体工作包括研制阿尔法磁谱仪中最为关键的永磁体、整个探测器机械结构的设计与制造以及反符合计数器、环境实验等内容。乙:探测反物质的关键是必须把包括一个强有力的磁铁的探测器送入太空。前面你已提到,中国科学家研制了其中最关键的永磁体,能否谈谈有关情况。甲:中科院电工研究所利用多年来在核磁共振永磁体方面的经验,利用稀土铷铁硼永磁材料研制出完全满足美国航空航天的技术标准以及AMS实验在太空运行要求的永磁体。乙:前面你还提到,整个探测器的机械结构精度非常高,它自重300千克,却必须支持重达三吨多的整个探测器,并能达到航天飞机在起飞和着陆时对机械结构强度的要求。此外AMS实验要求反符合计数器效率必须达到99.999%以上,尺寸公差十分严格,并能经受巨大加速度和剧烈震动,能长时间在空间环境工作。高能物理研究所的研究人员圆满完成了反符合计数器试样的设计、研制和空间环境模拟实验,为反符合计数器飞行件的设计和研制提供了数据。甲:这项国际合作推动了我国基础科学技术和多项高科技技术的发展,促进了我国空间科学技术的发展。阿尔法磁谱仪是第一次把大型磁谱仪送入太空,对宇宙空间的带电粒子直接观测,它开辟的一个全新的科学领域,很可能带来一次突破。世界上目前建造的各种加速器能在实验室中产生和研究反物质,而阿尔法磁谱仪可以寻找宇宙空间中的反碳核和反氦核等宇宙反物质。至于宇宙暗物质的相互作用,有可能在反质子、正电子或光子的能谱中形成