官方网站-首页

物理学家要给反物质要搬家，“行李”怎么收拾？

撰文 | 周立新

据Nature新闻报道，欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，简称CERN）发起了一个新项目——即将反物质从CERN运送到其他实验室。这是首次给反物质“搬家”，而且他们计划用一辆卡车运送。除了在CERN内部转移，他们还要送到欧洲其他实验室，这意味着世界上“最危险”的物质将出现在欧洲的马路上。将比核聚变还危险的反物质带出实验室，这多少听起来很有些“骇人听闻”。

了解反物质，要从物质说起。物质由质子、中子和电子构成，这些粒子通常被称为基本粒子。同时被定义的还有质子带正电，中子不带电，电子带负电。反物质，顾名思义，一切都和物质反着来，反原子由反质子、反中子和反电子构成。与原子相比，它们的质量相等，携带的电荷相反，内部磁场也相反。自然界中常见的是物质，反物质并不常见。目前，随着对粒子研究的深入，我们对原子内部结构的认识逐渐丰富，而对于反物质的研究，由于其稀缺性和诸多其他困难，研(yán)究过程更显得困难重重。但是，开展反物质的研究对人类认识世界非常重要，这也是科学家们一直在努力的原因。

当物质和反物质相遇，随即发生“湮灭”，这是一个由质量转化为能量的过程，原有物质形式消失成为纯电磁辐射，当然也有可能产生其他的粒子—反粒子对，例如，在高能状态下，质子和反质子湮灭后可能产生介子和中性介子。湮灭过程中释放的能量可以依据质能方程E=mc²计算。广岛原子(zi)弹(dàn)爆炸的能量约为1.5万吨TNT当量，一颗典型的氢弹爆炸的能量达到几百万吨的TNT当量，而6克反物质湮灭产生的能量足以毁灭一座大型城市。

物理学家开展反物质研究的目的必然不是想毁灭地球，就像研究(jiū)核(hé)反(fǎn)应的初衷(zhōng)也(yě)并(bìng)不(bù)是(shì)为(wèi)了制造武器。反物质作为一种客观存在的粒子，湮灭产生能量是它的客观现象，而研究它是为了更好地了解利用，也是为了保护人类。特别是，科学家希望通过对反物质的研究窥探到宇宙大爆炸初期世界的状态。

宇宙大爆炸发生几个微秒后产生了极端高温高密的退禁闭的夸克-胶子等离子体（QGP），此时存在数量相当的正粒子与反粒(lì)子(zi)[1]，随后迅速(sù)反(fǎn)(fǎn)应生成强子。理论上讲，这时正粒子和反粒子应该湮灭。然而，由于某种未知的机制破坏了正反粒子的平衡，物质留下来形成了我们目前所见到的世界。反粒子哪去了？宇宙中的对称性似乎没那么严谨了。

关于反物质的研究可以追溯到1898年，德裔英国物理学家Arthur Schuster以Potential Matter-A Holiday Dream为题在Nature发表文章，首次提出了反物质的概念。1932年，美国物理学家Philip Anderson通过带有磁场的探测器观测到了来自宇宙射线的正电子；1955年Emilio Segrè 和 Owen Chamberlain 等[2]在美国伯克利的回旋加速器上发现了反质子，他们分别获得了 1936 年与 1959 年的诺贝尔物(wù)理(lǐ)学(xué)奖(jiǎng)。

在(zài)发(fā)现(xiàn)反(fǎn)物(wù)质(zhì)后(hòu)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)一(yī)直(zhí)尝(cháng)试(shì)在(zài)地(de)球(qiú)上(shàng)制(zhì)造(zào)反(fǎn)原(yuán)子(zi)。终(zhōng)于(yú)，1995年(nián)，CERN的(de)ATHENA和(hé)ATRAP实(shí)验(yàn)首(shǒu)次(cì)成(chéng)功制造了反氢原子（由一个反质子和一个正电子组成）；到了2010年，他们已经可以将反质子的寿命控制到172 ms[3, 4]；2011年，反氢原子的寿命延长(zhǎng)到(dào)1000 s[5]。目(mù)前(qián)，反(fǎn)质子的储存记录是405天。这一切得益于磁阱（如Penning阱和Paul阱）技术的使用，它能够使粒子处于悬浮状态，从而杜绝与容器壁接触发生湮灭的可能(néng)。这(zhè)也(yě)是(shì)本(běn)文提(tí)到(dào)的(de)反(fǎn)物(wù)质(zhì)可(kě)以(yǐ)“转(zhuǎn)移”的技术前提。

如何理解磁阱？在学习量子力学的时(shí)候(hou)，“一(yī)维(wéi)无(wú)限(xiàn)深(shēn)势(shì)阱(jǐng)”的(de)字(zì)眼(yǎn)频(pín)繁(fán)出(chū)现(xiàn)。我(wǒ)常(cháng)常(cháng)想(xiǎng)，这(zhè)是(shì)怎(zěn)样(yàng)的(de)一(yī)个(gè)“阱(jǐng)”，要(yào)多(duō)深(shēn)才(cái)能(néng)称(chēng)之(zhī)为(wèi)无(wú)限(xiàn)深，要多大的势能才能足够称之为“阱”，百思不能将其具象化。我也常常想，为什么一定是“阱”，是否可以是“篮子”或者“盒子”呢？“阱”，多以“陷阱”成为一个词出现，所谓陷阱，可以是地下挖的深坑，也可以是放在地面的“老鼠夹子”，也可能是触发即可吊起猎物的网兜，总之陷阱是与猎物之间的关系是，猎物一旦“掉入”陷阱，就会进入一种状态，一种失去自由、身不由己的状态，物理学称之为“束缚态”。这里，反物质可以看作“猎物”，而能够限制反物质的(de)陷(xiàn)阱(jǐng)就(jiù)是(shì)“磁(cí)阱(jǐng)”。区(qū)别(bié)在(zài)于(yú)，磁(cí)阱(jǐng)由(yóu)磁(cí)场(chǎng)构(gòu)成(chéng)，在(zài)磁(cí)场(chǎng)作(zuò)用(yòng)下(xià)，反(fǎn)质(zhì)子(zi)被(bèi)“困(kùn)”在(zài)真(zhēn)空(kōng)舱(cāng)（或(huò)瓶(píng)）中(zhōng)，保(bǎo)持(chí)相(xiāng)对(duì)独(dú)立(lì)状态。

有人要问，是什么原因导致了粒子的这场必需的“出走”呢？是实验精度的需要。欧洲核子研究中心的粒子加速器就是反质子的诞生地，各项实验在中心开展顺理成章，但是，周围背景磁场干扰了结果的准确度，于是科学家有了更换实验地点的想法。更换实验地点会显著提高精度吗？相比较而言，大约能将精度提高100多倍。

是否可以考虑换个地方重(zhòng)建(jiàn)一(yī)套(tào)(tào)装(zhuāng)(zhuāng)置(zhì)(zhì)呢(ne)(ne)？有(yǒu)(yǒu)人(rén)估(gū)算(suàn)过(guò)，一(yī)克(kè)反(fǎn)物(wù)(wù)质(zhì)(zhì)的(de)价(jià)值(zhí)是(shì)62.5万(wàn)亿(yì)美(měi)元(yuán)，生(shēng)产(chǎn)反(fǎn)质(zhì)子(zi)的(de)过(guò)程(chéng)需(xū)要(yào)耗(hào)费大量的电力，以欧洲(zhōu)当(dāng)前(qián)取(qǔ)暖(nuǎn)都(dōu)很(hěn)困(kùn)难(nán)的(de)现(xiàn)状(zhuàng)，大(dà)概(gài)即(jí)没(méi)有(yǒu)电(diàn)力(lì)供(gōng)应(yīng)，也(yě)没(méi)可(kě)能(néng)拿(ná)出(chū)多(duō)余(yú)的(de)经(jīng)费(fèi)建(jiàn)造(zào)新(xīn)的(de)设(shè)施(shī)。

正(zhèng)式(shì)开(kāi)始(shǐ)运(yùn)输(shū)反(fǎn)物(wù)质(zhì)之(zhī)前(qián)，为(wèi)了(le)考(kǎo)察(chá)实(shí)验(yàn)的(de)可(kě)行(xíng)性(xìng)，科(kē)学(xué)家(jiā)们用质子做了(le)个(gè)预(yù)备(bèi)试(shì)验(yàn)。为(wèi)什(shén)么(me)选(xuǎn)择(zé)质(zhì)子(zi)作(zuò)为(wèi)“替(tì)代(dài)品(pǐn)”参(cān)与(yǔ)实(shí)验(yàn)？一(yī)则(zé)“反(fǎn)质(zhì)子(zi)”真(zhēn)的(de)很(hěn)贵(guì)，不(bù)好(hǎo)随(suí)便(biàn)浪(làng)费(fèi)；二(èr)则(zé)因为质子和反质子的性质相似，如果质子可以成功转运，那反质子也可以。区别大概就是反质子运输要求的条件会苛刻一些。欧洲核子研究中心物理学家Christian Smorra说：“如果你可以用质子做这件事，那么它也可以用反质子做。唯一的区别是，你需要一个更好的真空室来容纳反质子。”

BASE-STEP项(xiàng)目(mù)中(zhōng)承(chéng)载(zài)质(zhì)子的“转移设施”在吊臂下离开实验大厅。图片来源：CERN

首批70个质子作为先头部队，在起重机的帮助下已经率先登上了运送用的卡车。70个质子，起重机吊装，一辆卡车。是的，你没有看错。未结合的质子以离散形式存在，俗称“质子云”，为了保持它们的“独立”性，需要被“封存”在磁阱中。形成磁阱需要超导磁体，超导磁体需要周围环境温度在几个开尔文，维持低温需要安装液氦冷却系统，同时导体磁性需要电力系统维持，最后是装质子的真空舱。一整套专用系统搭建完成，系(xì)统(tǒng)自(zì)重(zhòng)已经超过一吨重。实际上，转运过程中，相比于担心颠簸可能引起的湮灭，科学家们最担心的是供电是否能够持久，毕竟集装箱内携带的(de)电(diàn)能(néng)有(yǒu)限(xiàn)。为什么不能配备一套足够强大的电力系统，这恐怕要问问实验中心那个大厅的门的尺寸，转运装置太大肯定出不了门。大概，实验大厅在设计初期也没有预想到，有一天(tiān)粒(lì)子(zi)会(huì)“搬(bān)家(jiā)”。

BASE-STEP项(xiàng)(xiàng)目(mù)中(zhōng)承(chéng)载(zài)质(zhì)子(zi)的(de)“转(zhuǎn)移(yí)设(shè)施(shī)”在(zài)吊(diào)臂(bì)下(xià)落(luò)入(rù)卡(kǎ)车(chē)。图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：CERN

转场结束，绿色信号表明70个质子还“活着”。图片来源：CERN

回到开始的话题(tí)，反(fǎn)物(wù)质(zhì)是(shì)否(fǒu)可(kě)以(yǐ)顺(shùn)利(lì)上(shàng)路，目(mù)前(qián)还(hái)没(méi)有(yǒu)结(jié)论(lùn)。其(qí)实(shí)，即(jí)便(biàn)运(yùn)输(shū)中(zhōng)发(fā)生(shēng)意(yì)外(wài)，譬(pì)如(rú)所(suǒ)有(yǒu)运(yùn)送(sòng)的(de)质(zhì)子(zi)都(dōu)发(fā)生(shēng)湮(yān)灭(miè)，产(chǎn)生(shēng)的(de)能(néng)量(liàng)大(dà)概(gài)也(yě)就(jiù)相(xiāng)当(dāng)于一根铅笔从桌子上落到地上的(de)损(sǔn)失的能量，并不会有爆炸产生。这个杀伤力和一只蚂蚁咬了大象一口造成的损伤差不多。与其说路人害怕反物质湮灭的杀伤力，更该担忧的是欧洲核子(zi)研(yán)究(jiū)中(zhōng)心(xīn)，这(zhè)一(yī)车(chē)粒(lì)子(zi)的(de)成(chéng)本(běn)不(bù)要(yào)太(tài)高(gāo)，需(xū)要上多少保(bǎo)险(xiǎn)才(cái)能(néng)避免损失，又有哪(nǎ)个(gè)保(bǎo)险公司愿意投保。反过来说，这样一辆“豪车”上路，谁又敢靠近呢。

真正的转运过程分为两个计划实施，BASE-STEP和PUMA。前者计划包含运输大约1000个反质子到实验条件更好的实验室，以开展对反质子更精密的观测，位于德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学可能是长距离运输的第一个目的地。PUMA计划则是在中心内部两个相距600米的场地间转运，转运10亿个反质子到ISOLDE设施中，研究奇(qí)异(yì)原(yuán)子(zi)的(de)性(xìng)质(zhì)。

与(yǔ)其(qí)关心(xīn)运(yùn)输(shū)的(de)安(ān)全性(xìng)，我(wǒ)们(men)不(bù)如(rú)一(yī)起(qǐ)来(lái)期(qī)待(dài)一(yī)下(xià)这(zhè)些(xiē)被(bèi)“转(zhuǎn)场(chǎng)”的(de)粒子，看看它们能给我们带来哪些惊喜。

注：本文封面图片来自版权图库，转载使用可能引发版权纠纷。

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。

版权说明：欢迎个人转发，任何形式的媒体或机构未经授权，不得转载和摘编。转载授权请在「返朴」微信公众号内联系后台。