反粒子·反物质·反宇宙——基本粒子物理学家的热门课题
反粒子·反物质·反宇宙——基本粒子物理学家的热门课题
1996 第9期   - 科与幻




        一

    每隔几个月，世界各地的基本粒子物理学家就会有某个鼓舞人心的新发现，他们或者成功地制成了一个原子核极不稳定、存在若干微秒之后即自行分解的新超重化学元素，或者找到一个至今还鲜为人知的基本粒子，或者又提出关于最小粒子如何构成物质的新假设。

    通常只有经常阅读专业科学文献的人才会得知这一切。但是，当德国物理学家瓦尔特·厄勒特博士主持的一个国际科学家小组，于1995年底在日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)首次成功地合成和验证了几个反物质原子时，大众传媒就不像以往那样无动于衷了。尽管只有11个反氢原子，而且存在的时间还不到400亿分之一秒，但科学家们认为已经见到曙光，有望找到一把打开新型物理基础观察的钥匙。

        二

    早在1928年，英国物理学家保罗·迪拉克就提出了一个描述电子性能的方程式。这个方程式不仅描述了电子的特性，而且还指出可能存在有与电子质量相同而电荷相反的基本粒子。迪拉克本人大胆地将其称之为“反物质”。

    1932年，卡尔·大卫·安德森在宇宙射线中发现了电子的反粒子，从而验证了迪拉克的推测。由于这些电子反粒子带正电荷，所以被称为“正电子”。

    迪拉克预言还有其它反物质粒子的存在，甚至还有一个完全由反物质构成的“反世界”。迪拉克的这一预言，引起了科学界的巨大反响。“宇宙是怎样形成的?”“会不会在宇宙中的某个地方存在着一个反世界?”“在遥远的未来，宇宙将面临什么样的命运?”这些介于科学和科学幻想之间的问题，其实都是牵涉到宏观和微观世界的根本性的问题。

        三

    今天，大多数物理学家都相信，宇宙是大约150亿至200亿年前一次大爆炸的产物。那次“原始大爆炸”，将纯能量“分裂”成物质。准确地说，是分裂成了我们所熟知的物质和我们尚不熟悉的反物质。可以肯定，当时形成的反物质必定与物质等量。但是，迄今为止，在宇宙中能够观察到的范围内，并未发现反物质。

    有些物理学家在解释这种现象时认为，这是因为物质和反物质相互排斥的缘故。如果真是如此，那么在原始大爆炸之后，除了产生了一个我们生存的宇宙之外，还会有一个遭到排斥的“反宇宙”存在。

    不过，有很多迹象表明，物质和反物质是相互湮灭的。它们一旦相遇，对应的粒子就互相抵消，剩下的就只有以光子存在的能量形式。现在，宇宙中确实存在有巨量的光子，这表明：在原始大爆炸后首先产生的宇宙物质，要比今天多几十亿倍。大量的粒子形成后不久，物质的主要成分质子和反质子成对地相互湮灭，只剩下没有质量的光子。

    那么，照这个思维模式，今天尚存的宇宙物质又是从何而来的呢?安德烈·萨哈罗夫在1967年找到了一种可能的解释。他认为：反粒子并不是它的对应粒子的完整倒影，而是有极少量的物理差异的。比如说，只要它们的质量有千万分之一的差异，那么，原始大爆炸中形成的质子和反质子数量就会有不同，在10亿对质子和反质子成对湮灭时，就会剩余一个质子。

    上述推测是用于解释今天可观察到的宇宙现状的最好假设。但是，只要不能观察和确定粒子与反粒子的微小差异，它永远只能是一种假说。

        四

    厄勒特和他的小组在合成反物质时，首先是从最简单的反氢原子开始的。由于质子的反粒子(反质子)和电子的反粒子(正电子)早已为人们所知，似乎将它们合成为一个反氢原子是很容易的事。不过在实验时，由于这些电子在大型粒子加速器中生成之后是高速运动的，要使它们减速极其困难。而要将反质子和正电子合成为反原子，至少必须先做到速度相同。

    厄勒特教授和欧洲核子研究中心的同事们，让反质子在一个被称为“低能质子环"(LEAR)的地下环状隧道中，以近似光速的速度在真空中旋转。然后，横向射出氙原子。当有几个反质子撞击到氙原子时，在与原子核中的质子湮灭的同时释放出高能量。与原始大爆炸相仿的是，这些能量中有一部分又重新产生出电子和正电子对，这其中偶尔会有少数几个正电子与反质子的轨迹相同。如果二者的速度也相同，并且碰巧又撞上另一个反质子时，那么就会生成一个反氢原子。根据计算，在环里盘旋的5兆左右的反质子中，大约会产生9个反氢原子。

        五

    历史性的突破终于实现了，科学家们观察到了生成的11个反氢原子。他们承认，可能有多两个或者少两个的误差，因为要验证寥寥几个几乎以光速飞行而寿命极短的原子，是极其困难的。

    这些生成的反氢原子，先与产生它们的粒子群一起运动。当反质子受磁性支配绕第一个弯时，反氢原子依然沿直线飞行，因为它们呈中性，不受磁场的影响。然后，反原子冲撞到硅探测器时被摧毁，正电子和电子互相湮灭。电脑记录下测试值，由达姆施塔特重离子研究协会成功地从湮灭的能量转换痕迹中推断出参予湮灭的粒子数量。剩余的反质子，在200亿分之一秒后碰上另个探测器而遭到湮灭。

        六

    反原子的研究虽然迈出了重要的第一步，但是还不能定时观测反氢原子。为了测量反原子，它们的存在时间就必须延长，400亿分之一秒是绝对不够的。它们运行速度太快，而且它们是电中性的，无法用磁场来令其减速，也不能禁锢在磁性陷阱中。不过，将反质子和正电子在合成之前一起保留在某种陷阱中，应该是可以办得到的，这是科学家们将要迈出的重要一步。

    德国驻华使馆供稿

    摘自《世界科技译报》