反物質(zhì)也許并不像聽上去那么怪異，它早已進(jìn)入了我們的生活。
反物質(zhì)星系是什么?這是一個奇異的世界，它的基本屬性同我們周圍的世界正好相反。在我們周圍有質(zhì)子、電子、房子、食物、太陽、星星和星系；而在反物質(zhì)世界里，則有與之對應(yīng)的反質(zhì)子、反電子、反房子、反食物、反太陽、反星星和反星系，甚至還有反我們自己?？茖W(xué)家推測這個反物質(zhì)世界可能就在距離我們3000萬光年以外的地方。
1 物質(zhì)與反物質(zhì)
自然界異彩紛呈：高大的樓房，廣袤的原野，潺潺的流水，神秘的星辰……它們構(gòu)成了和諧的宇宙萬物。它們的大小、遠(yuǎn)近、狀態(tài)和輕重雖然迥異，但都是由物質(zhì)構(gòu)成的。
物質(zhì)是什么呢?從粒子物理學(xué)角度看，物質(zhì)是由分子構(gòu)成的。確切地說，分子也不是最小的物質(zhì)顆粒，它們是由原子構(gòu)成的。
原子又可以分成由質(zhì)子與中子組成的原子核和圍繞著原子核轉(zhuǎn)的核外電子。質(zhì)子和電子都是帶電粒子，質(zhì)子帶1個單位正電荷，電子帶1個單位負(fù)電荷，中子則不帶電荷，是中性粒子。質(zhì)子、中子和電子才是構(gòu)成紛繁復(fù)雜物質(zhì)世界的基本粒子，是“建造”萬物的“磚塊”。然而這些“磚塊”并不是宇宙的全部，當(dāng)科學(xué)家深入基本粒子領(lǐng)域?qū)じ康讜r，一種新的物質(zhì)隱約在他們眼前晃動，這就是反物質(zhì)。
什么是反物質(zhì)?就像質(zhì)子、中子、電子結(jié)合起來形成原子一樣，反質(zhì)子、反中子和反電子結(jié)合起來形成反原子。由反原子構(gòu)成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。當(dāng)你照鏡子時，鏡中的那個你如果真的存在，并出現(xiàn)在你面前，有人就把它叫做“反你”。
(幾何光學(xué)告訴我們，鏡子里的像是你的形象通過光線傳到鏡面，再從鏡面反射回來的虛像，雖然在你舉手投足時，它也如法炮制，但它不是真實存在的反你，你也無法和它直接接觸。若用攝相機(jī)對準(zhǔn)鏡子后面你的虛像拍照，是拍攝不出你的像來的。)科學(xué)家想象，在很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方，有一個和我們的世界很相像的世界，但它是一個由反星系、反恒星、反太陽、反房子和反食物等一切反物質(zhì)構(gòu)成的世界，他們稱它為反物質(zhì)世界?？茖W(xué)家說，反物質(zhì)是普通物質(zhì)的對立面和鏡像。普通物質(zhì)構(gòu)成了我們的物質(zhì)世界的主要部分，而反物質(zhì)則是構(gòu)成反物質(zhì)世界的主要部分。
反物質(zhì)和普通物質(zhì)其實并無二致，所不同的是，組成反物質(zhì)的粒子與組成我們所熟知的普通物質(zhì)的粒子在電荷等方面相反(注意，普通物質(zhì)與反物質(zhì)不僅僅電荷不同)。例如質(zhì)子質(zhì)量為1個單位，電荷為+1個單位，反質(zhì)子質(zhì)量為1個單位，電荷為-1個單位；又比如電子質(zhì)量與反電子質(zhì)量相同，但電子電荷為-1個單位，而反電子電荷則為+1個單位，所以有人把反電子叫做“正電子”(意思是帶正電荷的電子)。當(dāng)然，也有一些例外，美國物理學(xué)家布魯斯·克拉克發(fā)現(xiàn)的反中子就是一例，它的質(zhì)量與中子相同，也像中子一樣不帶電荷，但它在更小的單位——夸克方面則與中子明顯不同。其他中性粒子如光子、π0介子等的反粒子就是它本身。此外，在粒子物理學(xué)中還有一些粒子沒有上述意義的反粒子，中微子就是一例，反中微子自有另外一種定義。
科學(xué)家推測，反質(zhì)子和反中子結(jié)合在一起能成為帶負(fù)電的反原子核，反原子核和反電子結(jié)合在一起能組成反原子。物質(zhì)世界有多少種原子，反物質(zhì)世界中也有多少種反原子，它們在結(jié)構(gòu)上不應(yīng)有什么區(qū)別。由此延伸下去，我們的宇宙有它對應(yīng)的反宇宙，在反宇宙里有反星系、反恒星、反地球、反房子、反食物，一直“反”下去，直到反基本粒子。
那么，反物質(zhì)真的存在嗎?答案應(yīng)該是肯定的。1928年，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克在前人工作的基礎(chǔ)上，給出了電子在電磁場里運(yùn)動的理論公式，后人稱它為“狄拉克方程”。這是—個著名的方程，它的獨(dú)到之處在于方程中含有愛因斯坦的狹義相對論效應(yīng)。根據(jù)這一方程，狄拉克作出了一個石破天驚的預(yù)言：電子一定有反電子，它有同電子相同的質(zhì)量和相反的電荷。
1932年，美國物理學(xué)家卡爾·安德遜在用一架叫做“云霧室”的儀器觀測宇宙線中微小粒子的徑跡時，猛然發(fā)現(xiàn)一些微小粒子的徑跡與電子相反，一個向左拐，一個向右彎，正好一正一反，說明它們有相反的電荷。安德遜在實驗中發(fā)現(xiàn)了反電子，這是人類知道的第一個反物質(zhì)，也讓狄拉克的預(yù)言得到了實驗證實。1955年，美國物理學(xué)家歐文·張伯倫等人在加利福尼亞州立大學(xué)勞倫斯一伯克利國家實驗室用高能質(zhì)子轟擊銅時，制造出了反質(zhì)子；1956年，又有科學(xué)家制造出了反中子；緊接著，反中微子、反介子、反原子……陸續(xù)登場，基本粒子的家族中涌現(xiàn)出一大批新成員，為原子核物理學(xué)譜寫了頗為有趣的新篇章。
從此，科學(xué)家逐漸認(rèn)識到，不僅質(zhì)子和電子有對應(yīng)的反質(zhì)子和反電子，而且所有微觀粒子都有自己的反粒子。如果反質(zhì)子、反中子和反電子像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合在一起就成為反原子。40年后，這個觀點(diǎn)也得到了實驗證實——1995年，歐洲核子研究中心(簡稱CERN)宣布，他們在PS210實驗期間，成功制造出世界上第一批反氫原子。第二年，美國費(fèi)米實驗室又成功制造出7個反氫原子。費(fèi)米實驗室的結(jié)果為EERN的發(fā)現(xiàn)提供了佐證。
早期的反氫原子是在1000萬℃的極高溫度下制造出來的，是“熱”的反氫原子，具有極高能量，不適合做研究工作。要利用反氫原子做研究工作，獲得更多的反物質(zhì)知識，就必須減少“熱”反氫原子的能量，使其變“冷”。在這方面，CERN做了很多工作。早在1997年，CERN宣布，他們耗資1158萬美元建成一個周長188米的圓形混凝土盒狀反質(zhì)子減速器，利用磁場將反質(zhì)子的能量從3500兆電子伏減少到53兆電子伏，然后用電磁場對反質(zhì)子進(jìn)行約束，與正電子結(jié)合生成反氫原子。按照計劃，在這年年底前他們將用反質(zhì)子減速器制造出首批“冷”反氫原子.
上述計劃如期完成，早在2002年年底，CERN制造出了世界上第一個“冷”的反氫原子，并將它儲存起來。隨后，CERN又斥資60億美元建成世界上最大的原子加速器——大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)。科學(xué)家相信，隨著包括探測器和加速器等在內(nèi)的一系列研究工具投入使用，有望進(jìn)一步揭開反物質(zhì)之謎。
2 反物質(zhì)世界
宇宙學(xué)家指出，反物質(zhì)是在137億年以前宇宙大爆炸時與普通物質(zhì)一起產(chǎn)生的。
大爆炸最初的1秒鐘是宇宙的嬰兒時期，在這一時期宇宙出現(xiàn)了一次暴漲，電子、質(zhì)子和中子等基本粒子在這一時期形成，反電子、反質(zhì)子、反中子等反粒子也是在這一時期形成的。
物質(zhì)世界琳瑯滿目，反物質(zhì)世界又是怎樣的呢?一部名叫《費(fèi)城實驗》
的美國科幻影片讓我們看到了它的神奇：1943年12月，美國海軍在費(fèi)城進(jìn)行了一項秘密實驗，用于實驗的一艘驅(qū)逐艦在強(qiáng)磁場產(chǎn)生的綠色煙霧中突然消失，軍方立即下令停止實驗。他們隨后驚奇地發(fā)現(xiàn)，一眨眼功夫驅(qū)逐艦就駛到了遠(yuǎn)在470千米以外的諾?？舜a頭。是什么力量使這艘驅(qū)逐艦產(chǎn)生如此之快的速度呢?影片沒說。然而，當(dāng)我們走進(jìn)反物質(zhì)世界時，呈現(xiàn)眼前的景象比《費(fèi)城實驗》奇妙多了!在反物質(zhì)世界里，一切都與現(xiàn)實世界相反，力的方向也是反的。你若想提起反物質(zhì)物體，不是把物體向上提，而要往下按；要是向“反墻”上釘反物質(zhì)釘子，不能用錘子對準(zhǔn)墻壁用力敲打，而要用力拔它。這是一個多么奇妙的世界!試想在這樣一個世界里，我們的一顰一笑將是何等模樣!
真有這樣一個奇妙的反物質(zhì)世界嗎?從哲學(xué)的角度講，這個問題很容易回答，有左必有右，有上必有下，有陽必有陰，有正必有反。我國古代太極圖似乎暗示了這一點(diǎn)，一些天文學(xué)家也認(rèn)為可能有這樣的世界。目前，由諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、華裔科學(xué)家丁肇中主持的“尋找宇宙中的暗物質(zhì)和反物質(zhì)”的研究已有16個國家的科學(xué)家參與，投入的資金高達(dá)1000多億美元。
許多科學(xué)家表示，誰要是能發(fā)現(xiàn)宇宙反物質(zhì)的存在，那么他將當(dāng)之無愧地獲得諾貝爾獎。這項研究擬在太空進(jìn)行，探測器發(fā)射后將永駐太空。
丁肇中認(rèn)為，如果反物質(zhì)確實存在，當(dāng)正物質(zhì)與反物質(zhì)碰撞時可以產(chǎn)生巨大的能量。因為反物質(zhì)是極不穩(wěn)定的，它與物質(zhì)一接觸，原子外層的電子因電荷與反原子外層反電荷相反而抵消，原子核中的質(zhì)子也因同樣的原因相互湮滅，而反中子則因磁性與中子相反而與中子強(qiáng)烈碰撞。根據(jù)愛因斯坦理論，這種碰撞能將參與碰撞的物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，效率達(dá)到100％。
目前，由丁肇中主持的這項研究已進(jìn)行多年，并取得了一些重要成果。不過，丁肇中慎重地表示：“但是，從這一領(lǐng)域的發(fā)展歷史來看，人們要有思想準(zhǔn)備，也許我們會發(fā)現(xiàn)意想不到的東西，與原先想研究的東西毫無關(guān)系?！边@番話是有科學(xué)根據(jù)的。據(jù)科學(xué)家推測，在我們周圍3000萬光年內(nèi)不會有反物質(zhì)存在，在這個范圍以外是否有，現(xiàn)在還無法作出回答。愛因斯坦廣義相對論告訴我們，宇宙中的黑洞是連接兩個分離的時一空區(qū)的隧道，假如反物質(zhì)世界處于時一空另一端，那么黑洞就可能是反物質(zhì)世界的通道。當(dāng)然，最大的可能性就是黑洞內(nèi)部正是一個反物質(zhì)世界。
為了解反物質(zhì)世界，美國科學(xué)家曾在1979年把一個60層樓高的巨大氣球放到離地面35千米的高空，氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器。這個巨型氣球在空中截獲了28個反質(zhì)子。這是在地球以外第一次發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。除此之外，還在星際空間發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)流。1997年4月，美國天文學(xué)家又宣布，他們利用“康普頓伽瑪射線天文臺”
在銀河系上方約3500光年處發(fā)現(xiàn)了一個不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源，它噴射出的反物質(zhì)形成一個高達(dá)2940光年的“反物質(zhì)噴泉”。最近還有報道說，天文學(xué)家在一顆編號為SN2005E的異常奇特的超新星上發(fā)現(xiàn)了一個“反物質(zhì)工廠”，它正在不間斷地向周圍釋放正電子。SN2005E距離地球1億光年，是一顆白矮星爆炸而成的超新星。這類天體的發(fā)現(xiàn)有助于揭示宇宙中反物質(zhì)的來源和分布，從而更好地認(rèn)識宇宙的演化過程。
不過，盡管在一些孤立的時間和孤立的區(qū)域觀測到了一些反物質(zhì)，但迄今為止還沒有飛行儀器發(fā)現(xiàn)過宇宙中存在大量反物質(zhì)的證據(jù)。這些孤立的反物質(zhì)有兩種可能的來源：一是來源于一些孤立的發(fā)射點(diǎn)，例如正在發(fā)生很高能反應(yīng)的一些星系核和類星體上產(chǎn)生的反物質(zhì)，但它們隨后就湮滅了；二是高能粒子碰撞產(chǎn)生的次級產(chǎn)物?？傊?，不管這些反物質(zhì)來源如何，都不能說明有一個反物質(zhì)世界存在。
沒有觀測到大量反物質(zhì)，是不是就意味著沒有反物質(zhì)世界呢?不一定。有人用螞蟻爬紙條來說明反物質(zhì)世界和物質(zhì)世界之間的關(guān)系。取一張小紙條，把兩頭粘在一起，讓一只螞蟻在上面爬。假如不允許它爬過紙條邊緣，它怎樣才能爬到紙條的另一面呢?有人提出兩個方法：一是螞蟻爬過紙帶邊緣；二是在紙帶上打個洞，讓螞蟻鉆過去?？蛇@兩個方法都是不允許的，因為二者都要爬過紙條邊緣。如果我們用手分別捏住紙條的兩頭，把紙條旋轉(zhuǎn)180度，再粘在一起，紙條的兩面就變成一面了，螞蟻只要在紙條上爬行就可以輕易地爬到紙條的另一面。這個例子好比我們沒觀測到反物質(zhì)世界，或許并不是因為沒有這樣奇異的世界，而是我們沒有把“紙條旋轉(zhuǎn)180度粘在一起”。換句話說，假如我們的觀測方法得當(dāng)，觀測到反物質(zhì)世界也許是唾手可得的事。
3 宇宙失衡之謎
從根本上講，反物質(zhì)就是普通物質(zhì)的鏡像。正如我們照鏡子一樣，鏡中的像與我們并無二致，數(shù)量也應(yīng)是相等的。大多數(shù)理論家認(rèn)為，在宇宙大爆炸期間產(chǎn)生的粒子與反粒子數(shù)目幾乎沒有差別。但在我們思維所及的范圍，一切都是普通物質(zhì)組成的，月亮、太陽、星星、星系和星系團(tuán)概莫能外，只能偶爾見到一兩個反物質(zhì)或反物質(zhì)噴流。科學(xué)家把這種現(xiàn)象叫做“宇宙失衡”。這是一個令科學(xué)家困惑的宇宙之謎。對這種現(xiàn)象有兩種看似可行的解釋。
第一種解釋是，普通物質(zhì)和反物質(zhì)的物理性質(zhì)可能存在著微小差別，使得早期宇宙過多地被普通物質(zhì)所填滿。在理論上，雖然預(yù)言反物質(zhì)世界可以映出普通物質(zhì)世界的完美身影，但實驗已經(jīng)證實“鏡子”存在著一些“劃痕”。例如CERN在1998年的實驗顯示，一些名為K中介子的特殊粒子時不時地轉(zhuǎn)變?yōu)榉戳Ｗ?，使得普通物質(zhì)與反物質(zhì)之間失去平衡。2001年。加拿大和日本的粒子加速器也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，而且在更重的K中介子同位素B介子之間發(fā)現(xiàn)了更加不均衡現(xiàn)象。為深入探討宇宙失衡問題，CERN準(zhǔn)備啟用大型強(qiáng)子對撞機(jī)做B介子試驗，使用一臺4500噸重的探測器來尋找更多的K介子。
第二種解釋是，宇宙形成后數(shù)秒內(nèi)，普通物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅得不充分，它們在相互消滅對方的過程中設(shè)法逃離了出去。反物質(zhì)可能就隱藏在宇宙的鏡像區(qū)，在那里，可能存在反恒星、反星系甚至反生命。最初可能普通物質(zhì)多一些，或者反物質(zhì)多一些，隨著時間推移，這種微小的差異擴(kuò)展到宇宙的各個區(qū)域，形成了今天的普通物質(zhì)與反物質(zhì)的分離局面。
科學(xué)之謎終究要靠科學(xué)實驗來解答，宇宙失衡之謎也是一樣。如CERN所做的那樣，物理學(xué)家已在地面實驗室通過做實驗的方式來尋找答案。從十年前起，中日兩國科學(xué)家在海拔4300米高的西藏羊八井地區(qū)設(shè)置了分散的粒子探測器，開展宇宙射線研究，先后接收到正電子、μ子、π介子等高能粒子。后來，他們又改建了新的“地毯”式探測陣列，用以接收來自宇宙的高能射線和反物質(zhì)粒子。中國科學(xué)院高能物理研究所還和意大利合作，在西藏建成世界上第一個1萬平方米“地毯”式粒子探測陣列實驗站，目前該探測陣列的實驗廳已經(jīng)完工?？茖W(xué)家正在鋪設(shè)“地毯”，計劃兩年后完工。這是世界上海拔最高的科學(xué)工程，是地面宇宙線探測的重要基地。
除了地面實驗和觀測外，天文學(xué)家和空間科學(xué)家還聯(lián)袂用空間觀測手段來解疑釋惑。在3000萬光年以內(nèi)的反物質(zhì)，由于同普通物質(zhì)碰撞而迅速湮滅，很難觀測得到，即使空間探測器遇到了它們，也無法直接觀測出來，因為今天的天文觀測大多數(shù)是接收天體發(fā)射的光子。從理論上講，普通物質(zhì)的天體如果輻射光子，反物質(zhì)的反天體也應(yīng)當(dāng)輻射反光子。光子是中性粒子，光子與反光子是同一種粒子。天文學(xué)家通過光子(包括可見光、射電波、x射線和伽瑪射線)觀測，區(qū)分不了它們是來自天體上的物質(zhì)還是來自反天體上的反物質(zhì)。恒星和星系除了輻射光子外，還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣，如果天文學(xué)家能接收中微子，對探測反物質(zhì)是有益的?？上е形⒆优c任何物質(zhì)的相互作用都很微弱，很難探測到它們，因此探測中微子需要很大很大的探測器。以今天的科學(xué)技術(shù)來建造中微子探測器是非常困難的。當(dāng)今世界上只有美國和日本有這樣的探測器，它們都建在地底下，并且效果都不理想。
不過，天無絕人之路，開辟道路的是阿爾法粒子。宇宙線中含有極少量阿爾法粒子，但從沒有發(fā)現(xiàn)過反阿爾法粒子，這說明原始宇宙線是由普通物質(zhì)組成的。如果宇宙中有反物質(zhì)恒星，那么宇宙線中的阿爾法粒子將與它發(fā)射的反阿爾法粒子碰撞而湮滅，產(chǎn)生叮π0介子，并很快衰變成伽瑪射線。因此，通過阿爾法粒子觀測就可以判斷宇宙中有沒有反恒星存在。
美國宇航局早就想設(shè)計儀器來探測阿爾法粒子，
而這個想法現(xiàn)在由丁肇中領(lǐng)導(dǎo)完成。儀器名字叫做“阿爾法磁譜儀”(簡稱AMS)它是進(jìn)入太空的全能粒子探測器。它和地下加速器有兩個重要區(qū)別。首先，它探測的粒子能量大大高于粒子加速器激發(fā)的重原子核能量。例如，世界最大的粒子加速——CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)可以把粒子撞擊到近7萬億電子伏特，而宇宙線的能量可以高達(dá)1萬億億電子伏特以上。其次，地面加速器是使粒子相互撞擊，而AMS是從深空選取高能粒子樣品。AMS是大型空間粒子探測器，能夠獲得很多很多數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)太多，需要在太空探測器上安裝超巨型計算機(jī)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理和向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。為此，AMS需要2.5千瓦能源，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通空間飛行器上太陽能電池板的供電能力，所以必須把它放在國際空間站上，因為后者能提供103千瓦的電源。
1998年6月2日，由中國臺灣與美國合作的I型AMS由美國“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)帶入太空，在近地軌道附近飛行了10天，發(fā)現(xiàn)了宇宙線的許多新現(xiàn)象。2007年，中國科學(xué)院、東南大學(xué)和中國臺灣與美國合作的Ⅱ型AMS由美國航天飛機(jī)送入國際空間站運(yùn)行。AMS實驗室對于人類認(rèn)識宇宙的形成機(jī)理有著極其重要的意義，利用AMS的觀測數(shù)據(jù)有望破解宇宙失衡的奧秘。
4 反物質(zhì)飛船
物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅，質(zhì)量可以完全轉(zhuǎn)化為能量，帶來最大的能源效率，且單位質(zhì)量的產(chǎn)能量是核能的千百倍，是普通燃料的億兆倍，所以科學(xué)家嘗試著把反物質(zhì)作為新能源進(jìn)行研究和開發(fā)，試圖讓反物質(zhì)在很難補(bǔ)給燃料的行星際飛行和星際飛行中發(fā)揮作用。
反物質(zhì)推進(jìn)飛船是科幻文學(xué)中最具吸引力的詞匯，也是粒子物理學(xué)中幾乎像黑洞一樣的話題。在科幻作品中，反物質(zhì)是飛向行星、飛向恒星的飛船最理想的燃料。大多數(shù)自身很重的飛船都使用反物質(zhì)作為燃料，把人類送上火星，需要使用成千上萬噸化學(xué)燃料，而以反物質(zhì)推進(jìn)火星飛船，僅僅幾十毫克就夠了，而且只需要6周時間。
任何飛船都要用火箭推進(jìn)。在最基本層面上，反物質(zhì)火箭仍是一種通過作用和反作用推動探測器在空間前進(jìn)的牛頓火箭。目前反物質(zhì)火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計正在擬議之中，初步樣品尚未研制出來。根據(jù)科學(xué)家的提議，有以下三種供選擇的類型：直接使用反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生推進(jìn)力；用加熱的工作流體作為推進(jìn)劑；將加熱的工作流體用來發(fā)電，再使用某種形式的電動飛船推進(jìn)系統(tǒng)。上述第一種類型，就是在反質(zhì)子湮滅反應(yīng)中，產(chǎn)生帶電和不帶電的兩種介子和伽瑪射線，帶電的介子可以用磁噴嘴做通道產(chǎn)生推力。這類反物質(zhì)火箭是產(chǎn)生熱的核心裝置，但效率不高。第二種類型是利用正電子湮滅產(chǎn)生的熱量來排出流體。第三種類型是用湮滅伽瑪射線加熱和燒蝕船帆，由燒蝕物質(zhì)提供推力。不管上述哪種類型，火箭都要利用反物質(zhì)給電動空間驅(qū)動器充電，都與普通核電力火箭設(shè)計相類似，即反物質(zhì)湮滅能量直接或間接用于加熱工作流體，提供動力或用來發(fā)電，給某種形式的電力空間推進(jìn)器系統(tǒng)提供電能。
以前的反物質(zhì)火箭燃料都采用反質(zhì)子設(shè)計，但這種設(shè)計可行性不大，原因是這種燃料在與物質(zhì)湮滅時會產(chǎn)生高能伽瑪射線，它就像X射線作用在甾類有機(jī)物上那樣，能穿透物質(zhì)，分解細(xì)胞內(nèi)分子，損害周圍生物健康，高能伽瑪射線還能擊碎發(fā)動機(jī)材料的原子，使發(fā)動機(jī)出現(xiàn)放射性。最新的反物質(zhì)火箭燃料采用正電子設(shè)計。正電子產(chǎn)生的伽瑪射線能量僅為反質(zhì)子的1/400，可以避免產(chǎn)生極具放射性污染的副作用。
先進(jìn)的正電子火箭發(fā)動機(jī)叫做燒蝕發(fā)動機(jī)。它的主要工作原理是：正電子裝在小容器里，小容器放在鉛盒內(nèi)。當(dāng)小容器里的正電子蒸發(fā)出薄薄的一層物質(zhì)時，發(fā)動機(jī)就噴出藍(lán)白色氣體。容器每秒鐘向噴嘴腔噴射很多次，所以不斷進(jìn)行物質(zhì)與反物質(zhì)反應(yīng)。正電子進(jìn)入噴嘴腔后同容器相互作用，放出伽瑪射線，伽瑪射線被鉛吸收，發(fā)射低能x射線，因為x射線比伽瑪射線容易被噴嘴物質(zhì)吸收，所以低能x射線能使噴嘴物質(zhì)蒸發(fā)。
一個美國科學(xué)家研究小組正致力于研發(fā)采用正電子設(shè)計的反物質(zhì)動力宇宙飛船。在研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)飛船面臨兩大難題。第一個難題是反質(zhì)子價格昂貴。使用現(xiàn)在的技術(shù)，每生產(chǎn)1毫克正電子大約要耗費(fèi)2500萬美元，設(shè)備改善后，捕獲反質(zhì)子的成本有可能降到每毫克5萬美元?？上驳氖?，芝加哥郊外的費(fèi)米實驗室的新設(shè)備允許產(chǎn)量增加10倍，即每年可生產(chǎn)15毫微克正電子，正電子的價格可望進(jìn)一步降低。第二個難題是正電子儲存困難。粒子與反粒子碰到一起就像冰塊遇上火球，或者一起消失，或者轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ樱栽诘厍蛏?，反物質(zhì)一旦碰上其他物質(zhì)就會灰飛煙滅。目前的反物質(zhì)一般儲存在“彭寧阱”內(nèi)，但這只適用于儲存極少量的反物質(zhì)，不能作為太空反物質(zhì)飛船的燃料儲存器。CERN正努力生產(chǎn)反氫原子，并期望能利用“伊奧夫一普里查德阱”把大量反氫原子安全地長期儲存起來。
如果這種技術(shù)被證明前景廣闊，并且能吸收到足夠的開發(fā)資金，那么正電子動力飛船就將成為人類飛往火星的工具。
有科學(xué)家認(rèn)為，反物質(zhì)動力飛船最重要的優(yōu)點(diǎn)是比較安全。目前計劃設(shè)計的“火星參考飛行器”使用核動力推進(jìn)器，可以縮短飛往火星的時間，使宇航員暴露在宇宙線中的時間減少，從而增加了安全性。但是，核反應(yīng)堆很復(fù)雜，在飛行中可能存在較多的安全隱患。
正電子反應(yīng)器則具備核反應(yīng)堆的所有優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單，也沒有核污染。核動力飛船由于帶有核燃料，即使在燃料用完以后，核反應(yīng)堆依然存在放射性，因此在飛船到達(dá)火星后，必須考慮讓核反應(yīng)堆進(jìn)入一個特別的軌道，使它至少在100萬年(即殘留的放射性降低至安全水平所需的時間)內(nèi)不與地球相遇。而正電子動力飛船在正電子反應(yīng)堆燃料用完后不會留下放射性，即使正電子反應(yīng)器意外地重返地球大氣層，也不存在安全問題。此外，如果火箭攜帶的核反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，必定向大氣層釋放放射性粒子，而正電子動力飛船如果發(fā)生爆炸，它將釋放伽瑪射線，而伽瑪射線瞬間消失，沒有放射性粒子隨風(fēng)飄移。在爆炸的一剎那間，釋放的粒子局限在一個狹小區(qū)域內(nèi)，危險區(qū)限制在飛船周圍約1千米范圍，與一枚普通大型化學(xué)火箭巨大爆炸造成的危險區(qū)大小相同。
正電子動力飛船的另一個重要優(yōu)點(diǎn)是速度。核動力飛船載宇航員去火星需要180天，而先進(jìn)的正電子動力飛船只要一半時間，或許只要45天就夠了。
5 反物質(zhì)武器
科學(xué)家還嘗試?yán)梅次镔|(zhì)制造反物質(zhì)武器。
反物質(zhì)武器是一種以反物質(zhì)作為能量、推進(jìn)劑或爆炸物的器件，是想象中的擁有超強(qiáng)力量的武器，目前還僅存在于科幻小說中。不過，美國空軍已對其可能的軍事用途，包括毀滅性效果產(chǎn)生了興趣，他們一直在資助與反物質(zhì)有關(guān)的物理研究。
反物質(zhì)武器的保密性很強(qiáng)，相關(guān)資料釋放得很少。從其中的只言片語中我們可以知道，反物質(zhì)炸彈不但易于引爆，而且不產(chǎn)生核輻射，是一種“干凈的氫彈”。它擁有氫彈的爆炸威力，卻不造成核污染；它不像原子彈那樣必須達(dá)到臨界質(zhì)量才能爆炸，而是在特別微小的質(zhì)量下也能爆炸；它還不像氫彈那樣要求很高的點(diǎn)火溫度。這是一種可作為熱核爆炸或激發(fā)極強(qiáng)x射線或γ射線的“扳機(jī)”武器。
核武器專家認(rèn)為，反物質(zhì)武器是第四代核武器。
第一代是“二戰(zhàn)”期間美國在日本廣島和長崎投下的原子彈，稱為钚彈，是利用钚核裂變反應(yīng)釋放的能量制造的。中國爆炸的第一顆原子彈是利用鈾核裂變反應(yīng)釋放的能量制造的，稱為鈾彈。它們都屬于第一代核武器。幾年后，氫彈試驗成功。它是利用輕核(氘、氚)聚變反應(yīng)釋放的能量制造的，屬于第二代核武器。后來為了增強(qiáng)或減弱核武器某些方面的毀傷作用，又制造出了中子彈、沖擊波彈、感生放射性彈、x射線彈和弱剩余放射性武器等，它們屬于第三代核武器。第四代核武器就是反物質(zhì)武器。
反物質(zhì)武器具有第四代核武器的共同特點(diǎn)。其一，雖然威力巨大，但其附帶殺傷效應(yīng)較小。新一代核武器強(qiáng)化了核反應(yīng)中的部分殺傷效應(yīng)，同時抑制了其他殺傷因素和破壞因素的產(chǎn)生。其二，殺傷手段與殺傷、破壞目標(biāo)更為單一。新型核武器可只應(yīng)用爆炸產(chǎn)生的沖擊波、電磁脈沖或是其他殺傷、破壞因素攻擊特定目標(biāo)，使用者在使用核武器攻擊時有更大的選擇余地。其三，研究手段中高科技含量非常高。南于反物質(zhì)本身之謎還沒解開，要想把反物質(zhì)武器投入戰(zhàn)場，還需要很長時間。
如何制造反物質(zhì)
地球上沒有現(xiàn)成的反物質(zhì)，那怎樣才能獲取反物質(zhì)呢?有兩種辦法，一是到宇宙中去尋找，二是在實驗室里制造。氫原子的構(gòu)造最簡單，原子核中只有一個質(zhì)子，核外只有—個電子，因此制造反氫原子比較容易。人工制造反氫原子的程序是：將高速原子核和質(zhì)子相撞，產(chǎn)生反質(zhì)子；用減速器將反質(zhì)子速度減到1/10光速后，儲存到由強(qiáng)磁場做成的“彭寧阱”里，再用電場將其進(jìn)一步減速；另一方面，由放射性衰變收集來的正電子也用電磁場做的“阱”來減速和儲存；最終，讓低能反質(zhì)子和正電子在“彭寧阱”里結(jié)合，形成反氫原子。1995年，采用這套程序，在瑞士日內(nèi)瓦建成世界上第一個反物質(zhì)研制工廠——?dú)W洲核子研究中心(CERN)，并且制造出了第一個反氫原子。截止目前，已制造出近5萬個反氫原子。
在反物質(zhì)制造當(dāng)中，一個重要的環(huán)節(jié)是反物質(zhì)的儲存。反物質(zhì)不能與物質(zhì)接觸，否則它們一接觸就立刻湮滅，生成伽瑪射線。釋放中微子。所以反物質(zhì)是不能儲存在容器里的。帶電的反物質(zhì)一般儲存在“彭寧阱”里，不帶電的反物質(zhì)由于磁場對它不起作用，目前尚無合適的儲存方法。
反物質(zhì)的應(yīng)用
如果制造出了反物質(zhì)，那它們有什么用處呢?主要可用于以下方面。
醫(yī)藥 反物質(zhì)與物質(zhì)的反應(yīng)在醫(yī)療影像上已有實際應(yīng)用，正電子發(fā)射體斷層掃描就是一例。在β+衰變中，由于發(fā)射了一個正電子，核素就失去一個多余的正電荷，一個質(zhì)子變成一個中子并發(fā)射一些中微子。失去的正電荷很容易在回旋加速器中產(chǎn)生出來，這種反物質(zhì)在醫(yī)療上得到了廣泛的應(yīng)用。
燃料 在諸多能源中，正、反物質(zhì)碰撞產(chǎn)能率最高，1千克反物質(zhì)可產(chǎn)生9億億焦耳能量，約比相同數(shù)量的物質(zhì)化學(xué)能大100億倍(比梯恩梯炸藥的能量大200億倍，比生成水的能量大60億倍，比今天的核裂變釋放的核能量大1萬倍，比核聚變釋放的能量大100倍)。由于其質(zhì)量能百分之百地轉(zhuǎn)換成能量，所以1千克反物質(zhì)與1千克物質(zhì)反應(yīng)能產(chǎn)生18億億焦耳能量。
不過，反物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化率雖高，卻不能用于使用便攜式發(fā)電機(jī)的定期運(yùn)輸和城市照明等日常生活用途，因為在核與反核之間的反應(yīng)中，產(chǎn)生的能量約有一半被中微子帶走，在理想情況下效率也只有50％。而在制造反物質(zhì)的過程中，每一個過程都要消耗大量能源。此外，反物質(zhì)是稀罕之物，在我們周圍3000萬光年以內(nèi)不存在“天然”反物質(zhì)，而目前人工生產(chǎn)的反物質(zhì)非常有限，目前的產(chǎn)量僅為每年1～10毫微克，預(yù)計在歐洲核子研究中心和費(fèi)米實驗室新的加速器設(shè)備安裝后，在2015年或2020年每年可生產(chǎn)3～30毫微克反物質(zhì)。即使到那時，也是杯水車薪。難以為繼。研究人員指出，利用當(dāng)前的技術(shù)，即使通過優(yōu)化碰撞和收集參數(shù)，美國反物質(zhì)的生產(chǎn)成本每毫克仍高達(dá)2500萬美元。所以，在氘一氚聚變發(fā)電技術(shù)應(yīng)用之前，除了反物質(zhì)催化核脈沖的推進(jìn)力可以用在空間飛行器上之外，經(jīng)濟(jì)的純反物質(zhì)推進(jìn)器不大可能投入使用，在日常生活中的應(yīng)用更是遙遙無期。
人類認(rèn)識物質(zhì)的過程
物質(zhì)是什么?在過去的2500年里，物質(zhì)概念發(fā)生了明顯的變化。
●公元前600年，古希臘的塞利斯注意到，琥珀摩擦毛皮后產(chǎn)生吸引頭發(fā)和其他輕的物體的神秘力量。
●公元前460年，古希臘的德謨克利特發(fā)展了一個把物質(zhì)分成越來越小的小塊的概念，直到它不能分割為止。他把這些最小物質(zhì)叫做原子。
●公元1687年，艾薩克·牛頓應(yīng)用建立在原子理論基礎(chǔ)上的觀點(diǎn)解釋氣體定律。
●公元1803年，英國化學(xué)家約翰·道爾頓系統(tǒng)地提出他的理論：一切物質(zhì)都是原子構(gòu)成的，化學(xué)反應(yīng)來自這些原子的結(jié)合和分離，原子具有自己的特性。
●1897年，英國物理學(xué)家J·J·湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。并且提出，物質(zhì)模型類似于“布丁中的葡萄干”。
●1911年，英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特-盧瑟福用氦核(阿爾法粒子)轟擊金箔，記錄到大多數(shù)阿爾法粒子穿過金箔后不變，但有一些往一切方向偏轉(zhuǎn)，有的甚至彈回到自己來的方向。他得出結(jié)論，物質(zhì)大多數(shù)是真空的空間，由中心為一個小的正電荷周圍包圍著帶負(fù)電的粒子組成。
●1924年，法國的路易斯·德布羅意提出，物質(zhì)像光一樣由波組成，而不是由粒子組成。
●1925年，奧地利物理學(xué)家歐文·薛定諤形成一個把整個原子作為相互作用波的模型，粒子就像小提琴琴弦上的振動，它們只封閉在一些圓上。
●1926年，德國物理學(xué)家維爾納·海森堡提出“不確定性原理”，指出你不能同時知道粒子的位置和動量。其中一個你知道得最好，另一個你就了解得最差。原子現(xiàn)在被視為由電子波云包圍的一個核。
●1960年，美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼提出，原子中的質(zhì)子和其他基本粒子由更基本的粒子——夸克組成。
聯(lián)系客服
