反物質(zhì)略談
- 盧昌海 -
本文是應(yīng)《中學科技》雜志約稿而寫的科普。 在舊作 反物質(zhì)淺談 的基礎(chǔ)上， 本文刪減了涉及理論概念較多的內(nèi)容 (比如正電子概念的源起， 發(fā)現(xiàn)正電子的歷史， 薩哈洛夫條件等)， 同時也新增了若干內(nèi)容 (比如雷登弗羅斯特效應(yīng))。 對被刪減部分感興趣的讀者可參閱 反物質(zhì)淺談 一文。 本文發(fā)表時編輯將標題改為了 “反物質(zhì) — 稀有的鏡像”， 但考慮到本文并未涉及 “鏡像” 概念的由來 (在 “反物質(zhì)淺談” 的 第七節(jié) 中略有涉及)， 因此本站版本不采用該標題。
一. 從反粒子到反物質(zhì)
愛看科幻小說的朋友對反物質(zhì)這一名稱一定不會陌生。 在科幻小說中， 星際飛船的引擎常常要用反物質(zhì)作為燃料； 星際戰(zhàn)爭的雙方常常會用反物質(zhì)作為武器； 甚至連文文靜靜的機器人的 “大腦” 里 - 如果你看過阿西莫夫小說的話 - 也可以看到反物質(zhì)的蹤影。 這些有關(guān)反物質(zhì)的林林總總的想象是從何而來的呢？ 這還得從七十五年前說起。
七十五年前， 也就是 1932 年， 美國物理學家安德遜在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子， 它和電子具有相同的質(zhì)量， 卻帶著與電子電荷恰好相反的正電荷。 這種新粒子就是電子的反粒子， 也是人類發(fā)現(xiàn)的第一種反粒子， 它被稱為正電子。 安德遜的這一發(fā)現(xiàn)揭開了人類探索反物質(zhì)的帷幕， 四年后他因為這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學獎。
正電子的發(fā)現(xiàn)并不是一個出人意料的成就， 因為在這之前， 英國物理學家狄拉克曾經(jīng)從理論上提出過一種有趣的觀點。 按照這種觀點， 我們平常認為一無所有的真空并非真正一無所有， 而是裝滿了所謂的負能量電子。 如果這些電子中有哪一個獲得了足夠的能量而變成正能量的電子 - 即普通電子， 那么真空中的負能量電子就會出現(xiàn)一個空缺。 分析表明， 這種空缺具有的性質(zhì)與正電子完全相同， 因此正電子的存在可以算是被狄拉克預言過， 雖然當時安德遜本人并不知道這一預言。
狄拉克的觀點有一個引人注目的推論， 那就是由于正電子是一種空缺， 因此當它與電子相遇時， 后者有可能填回到空缺中， 與它一同消失。 這時它們的能量就會全部釋放出來。 這種過程很快在實驗上得到了證實， 它被稱為正負電子的湮滅。 狄拉克有關(guān)正電子的觀點既簡單又直觀， 因此廣為流傳。 不過要提醒讀者注意的是， 這種觀點并不具有普遍的正確性。 在某些物理過程中， 負能量電子可以變成普通電子， 卻并不伴隨一個作為空缺而出現(xiàn)的正電子。 而且自然界中還存在一大類粒子， 對于它們狄拉克的觀點完全不適用。 不過狄拉克的觀點所包含的一些基本結(jié)論， 比如粒子與反粒子具有相同的質(zhì)量， 相反的電荷， 正反粒子可以相互湮滅等， 卻是普遍成立的。
正電子成為人類發(fā)現(xiàn)的第一種反粒子并非偶然， 因為與它相比， 其它反粒子要么在宇宙線及天然放射源中比較稀少， 要么由于相互作用太弱而不易檢測， 其發(fā)現(xiàn)難度都遠遠大于正電子。 因此自安德遜發(fā)現(xiàn)正電子之后， 發(fā)現(xiàn)反粒子的步伐停頓了二十幾年， 直到二十世紀五十年代， 隨著加速器能量的提高， 才迎來了一陣美妙的爆發(fā)。 1955 年， 意大利物理學家賽格雷和美國物理學家張伯倫等在加州大學伯克利分校的加速器上發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子 (賽格雷和張伯倫獲得了 1959 年的諾貝爾物理學獎)。 第二年， 同一所大學的物理學家考克又發(fā)現(xiàn)了反中子。 此后， 其它基本粒子的反粒子也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)， 它們組成了一個種類和粒子一樣龐大的反粒子家族。
隨著反粒子的產(chǎn)生變得日益尋常， 物理學家們開始了進一步的探索， 那就是讓反粒子象普通粒子配成原子那樣配成反原子。 做到這一點在理論上雖無懸念， 但在實驗上卻是非常困難的事情。 這是因為反粒子不僅極易被普通粒子所湮滅， 而且往往處于高速運動之中， 要讓它們乖乖地結(jié)合成原子， 其難度是可想而知的。 經(jīng)過長期的努力， 這項工作終于被德國物理學家歐勒特領(lǐng)導的實驗小組所完成。 1995 年， 他們成功地制備出了九個反氫原子。 與普通原子天文數(shù)字般的數(shù)量相比， 區(qū)區(qū)九個反氫原子可謂是相當寒酸， 而且它們存在的時間也短得可憐， 只有一億分之四秒。 但這一消息一經(jīng)披露， 還是立即引起了世界性的轟動。 許多大媒體用顯著的標題做了報道， 歐勒特本人也受到了媒體記者的圍追堵截， 有記者甚至試圖把他從飛機上攔截下來進行采訪。
反氫原子的制備為什么會引起新聞界如此廣泛的關(guān)注呢？ 這是因為原子和分子是承載物質(zhì)物理和化學性質(zhì)的基本組元。 從這個意義上講， 反氫原子的制備是人類有史以來首次制備出了反物質(zhì)， 而此前所研究的只能稱為是反粒子而不是反物質(zhì)。 對于媒體來說這無疑是一個極大的興奮點。
歐勒特成功制備反氫原子之后又過了十二年， 2007 年九月， 美國加州大學的卡西迪和米爾斯在用反粒子組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面又取得了一個新進展， 他們用兩個電子和兩個正電子制備出了一個類似于氫分子的結(jié)構(gòu)。 這一工作的難度比歐勒特的實驗還要大得多。 在歐勒特的實驗中， 反氫原子本身是穩(wěn)定的， 實驗的難度主要在于防止普通物質(zhì)與反氫原子的湮滅； 而在卡西迪和米爾斯的實驗中， 電子和正電子本身就會在極短的時間內(nèi)相互湮滅， 因此他們的系統(tǒng)本身就是高度不穩(wěn)定的。 但盡管系統(tǒng)極不穩(wěn)定， 卡西迪和米爾斯的實驗還是引起了媒體的關(guān)注。 因為在理論上， 人們可以讓大量此類系統(tǒng)處于完全相同的狀態(tài)， 當它們湮滅時， 有可能會產(chǎn)生能量極高的脈沖激光， 遠比目前用其它手段產(chǎn)生的激光強大得多。
二. 舉步維艱的反物質(zhì)應(yīng)用
人們之所以對反物質(zhì)研究傾注了很大的興趣， 一個很重要的原因， 就是希望有朝一日能夠利用正反物質(zhì)湮滅所釋放的巨大能量。 這種能量如果可以大規(guī)模地利用， 它的威力是無與倫比的。 計算表明， 只要一克反物質(zhì)與相應(yīng)的物質(zhì)相互湮滅， 其產(chǎn)生的能量就足以超過廣島和長崎原子彈所釋放的能量總和。 這樣巨大的能量不僅可以作為能源， 更是一種令人望而生畏的武器。 事實上， 早在二十世紀中葉， 美國和前蘇聯(lián)的科學家就各自提出過反物質(zhì)武器的可能性。 在美蘇冷戰(zhàn)的后期， 伴隨星球大戰(zhàn)計劃的展開， 美國軍方開始了反物質(zhì)應(yīng)用方面的研究。 當然， 如今我們知道， 制備一個反氫原子尚且如此困難， 美國軍方的反物質(zhì)研究在當時的技術(shù)條件下是完全沒有希望的。 這些近乎于軍事大躍進的研究計劃后來隨著前蘇聯(lián)的解體和冷戰(zhàn)的落幕而下馬了。
這么多年來， 雖然人們在制備反物質(zhì)方面下了很多功夫， 也取得了一些成就。 但依靠人工制備的反物質(zhì)作為能源和武器在目前還是很不現(xiàn)實的想法。 有一個簡單的數(shù)字可以說明問題： 歐洲核子中心有一個低能反質(zhì)子環(huán)， 它從建成到關(guān)閉總共服務(wù)了十四年， 在這期間它為實驗物理學家們 (包括歐勒特的實驗小組) 提供了超過一百萬億個反質(zhì)子。 這看起來是個不小的數(shù)字， 可事實上， 即便我們把所有這些反質(zhì)子全都當成反物質(zhì)燃料， 它們與質(zhì)子湮滅所產(chǎn)生的能量也只能讓實驗室里一盞普通的電燈點亮幾分鐘。 將這點微不足道的能量與十四年間為維持這個低能反質(zhì)子環(huán)而消耗的巨大能源相比， 我們可以清楚地看到制備反物質(zhì)在能源的投入和產(chǎn)出上是何等的得不償失。 而歐勒特、 卡西迪和米爾斯等人在制備反物質(zhì)方面的艱難努力， 則很好地說明了積累反物質(zhì)在技術(shù)上是何等的困難。
對于想要制造反物質(zhì)武器的人來說， 除了上面提到的困難外， 還會面臨另一個意想不到的難題。 我們來設(shè)想這樣一個情形： 有朝一日科學家們終于制備出了整整一克的反物質(zhì)。 如我們前面所說， 一克反物質(zhì)與物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的能量足以超過廣島和長崎原子彈釋放的能量總和。 那么這是否意味著只要讓這一克反物質(zhì)與物質(zhì)相碰， 就會象原子武器那樣在瞬息之間釋放出巨大的能量？ 答案是否定的。 這個出人意料的結(jié)果， 其基本原理許多人在日常生活中有可能就已經(jīng)接觸到過， 只是未必意識到。 我們知道， 將一滴水滴在熱鍋上， 水會漸漸蒸發(fā)， 一般來說鍋越熱， 水蒸發(fā)得越快。 可是， 如果鍋的溫度高到一定程度， 水的蒸發(fā)情況會發(fā)生很大的改變。 這時水滴會在熱鍋上四處移動甚至跳躍， 而蒸發(fā)的速度反而大大減慢了。 這種奇異的現(xiàn)象早在兩百五十年前， 就被一位名叫雷登弗羅斯特的德國醫(yī)生注意到了， 如今它被稱為雷登弗羅斯特效應(yīng)。 雷登弗羅斯特效應(yīng)產(chǎn)生的原因， 是由于當鍋的溫度很高時， 水滴劇烈氣化產(chǎn)生的蒸汽會在水滴和熱鍋之間形成一層蒸汽膜， 阻隔兩者的進一步接觸， 從而急劇減緩水滴蒸發(fā)的速度。 這樣的效應(yīng)也會發(fā)生在正反物質(zhì)相互接觸的時候， 只不過蒸汽膜將會被輻射層所取代， 但它的效果是類似的， 那就是阻止正反物質(zhì)的進一步接觸 (事實上， 輻射壓強將會把兩者劇烈推開)， 從而急劇減緩能量釋放的速度。 因此， 如果有一天人們真的制備出了數(shù)量可觀的反物質(zhì)， 要想用它來制造有效的反物質(zhì)武器， 還得在結(jié)構(gòu)設(shè)計上下一番功夫。
對于科普讀者來說， 反物質(zhì)另外一個常常引起關(guān)注的地方， 是它曾經(jīng)被當成是 1908 年 6 月 30 日發(fā)生在俄羅斯西伯利亞地區(qū)的通古斯大爆炸的可能解釋。 這一解釋是三位美國科學家于 1965 年提出的。 但是， 盡管這一解釋很能激發(fā)科學愛好者的興趣， 卻沒能經(jīng)受住時間的考驗， 很快就被放棄了。 人們放棄這一解釋的原因有兩條， 一是它無法解釋當?shù)赝寥乐心承┙饘僭?- 比如鎳和銥 - 的超量。 另一條則與我們下面要介紹的內(nèi)容有關(guān)， 那就是反物質(zhì)在宇宙中極其稀少， 幾乎沒有任何天然的機制能使它們匯聚成足以造成通古斯大爆炸的數(shù)量， 并安然飛到地球。
三. 惱人的不對稱之謎
反物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)之后， 宇宙中到底有多少反物質(zhì)很自然地成為了一個令人關(guān)注的問題。 對于這一問題， 物理學家們曾經(jīng)有過一些猜測性的想法。 早在 1933 年， 狄拉克在其諾貝爾演講中就曾表示， 如果正反物質(zhì)的物理性質(zhì)是對稱的， 那么宇宙中完全有可能存在由反物質(zhì)組成的星球。 如果將這種猜測發(fā)揮一下， 那么我們還可以設(shè)想宇宙中不僅存在由反物質(zhì)組成的星球， 甚至還可能存在由反物質(zhì)組成的更巨大的結(jié)構(gòu)。
但隨著理論和觀測的逐步深入， 這種初看起來不無合理性的猜測漸漸暗淡了下來。
首先可以明確的是： 由于反物質(zhì)與物質(zhì)會相互湮滅， 因此在地球上象發(fā)現(xiàn)煤礦或鈾礦那樣發(fā)現(xiàn) “反物質(zhì)礦” 是完全不可能的。 不僅如此， 反物質(zhì)在整個太陽系中的存在也是微乎其微的， 因為否則的話， 由太陽發(fā)出， 被稱為太陽風的粒子流與反物質(zhì)之間的湮滅應(yīng)該早就被發(fā)現(xiàn)了。 再往遠處看， 情況也沒有實質(zhì)的改變， 迄今為止并無任何確鑿的證據(jù)， 表明宇宙中可能存在大規(guī)模的天然反物質(zhì)源。
事實上， 不僅沒有確鑿的證據(jù)表明宇宙中存在大規(guī)模的天然反物質(zhì)源， 相反， 卻有不少證據(jù)表明我們的宇宙是正反物質(zhì)高度不對稱的， 任何宏觀的天然反物質(zhì)源都是基本不可能的。 這是因為如果宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)并非高度不對稱， 那么在宇宙演化的過程中， 物質(zhì)將會與大量反物質(zhì)發(fā)生湮滅， 從而直接或間接產(chǎn)生大量光子 - 遠比我們所觀測到的光子多得多。 這表明， 在我們這個宇宙中物質(zhì)是主人， 反物質(zhì)只是稀客。 這稀客不僅數(shù)量稀少， 而且分布稀疏， 因為沒有一種天然的物理過程， 可以將反物質(zhì)有效地匯聚起來， 并在這一過程中免遭物質(zhì)的 “致命騷擾”。
既然我們這個宇宙是正反物質(zhì)高度不對稱的， 那么一個很自然的問題就是： 為什么會有這種不對稱？ 對此， 科學家們有過兩類截然不同的看法。 其中第一類看法認為正反物質(zhì)的不對稱是由宇宙的初始條件決定的， 或者說是 “先天” 造就的。 顯然， 這類看法比較消極， 幾乎是在回避問題。 令人欣慰的是， 這種 “偷懶” 的看法在暴脹宇宙論出現(xiàn)后受到了沉重的打擊。 按照暴脹宇宙論， 宇宙在大爆炸之初曾有過一個膨脹速度驚人的所謂 “暴脹” 階段， 經(jīng)過這樣的 “暴脹”， 即便宇宙的初始條件是正反物質(zhì)不對稱的， 也早已被稀釋掉了。 因此初始條件的不對稱 - 無論其存在于否 - 都不能解釋今天所觀測到的正反物質(zhì)不對稱。
初始條件既然不足以解釋正反物質(zhì)的不對稱， 那就只能寄希望于具體的物理過程了， 這就是第二類看法。 這類看法認為我們今天觀測到的不對稱是由某些特定的物理過程產(chǎn)生的。
那么究竟什么樣的物理過程才能造成正反物質(zhì)的不對稱呢？ 這又是一個很困難的理論問題。 對此， 俄國的氫彈之父薩哈洛夫曾經(jīng)做過思考， 并于 1967 年提出了這種物理過程所需滿足的三個條件。 這些條件后來被稱為薩哈洛夫條件， 它在研究正反物質(zhì)不對稱之謎中有著舉足輕重的地位。 人們能否揭開正反物質(zhì)不對稱之謎， 很重要的一點就要看能否找到一個滿足薩哈洛夫條件， 且在具體數(shù)值上與觀測相一致的物理理論。 過去幾十年里， 物理學家們在這方面做了很多努力， 也提出了許多模型， 但迄今為止， 那些模型要么數(shù)值結(jié)果太差、 要么求解難度太大、 要么過于特設(shè)、 要么過于任意， 尚無一個能夠令人滿意。 不過， 從很多理論模型都能滿足薩哈洛夫條件這一情況來看， 現(xiàn)代物理學最終為正反物質(zhì)不對稱之謎找到一個合理解釋的前景還是比較光明的。
二零零七年九月二十五日寫于紐約
二零零八年三月十七日發(fā)表于本站
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