选读
尽管反物质听起来很奇特,但如果你遇到一块反物质,它对物质来也不会有什么不同。即使是物质和反物质的单个原子也无法区分。只有在原子内部,它们的真正性质才很明显。
在物质的原子内部构成一切的物质是围绕中心核旋转的电子。氢原子是最简单的元素,由一个电子和一个质子构成的原子核组成。电子带负电荷,而质子带正电荷。相反的电荷相互吸引,使原子保持在一起。
反氢原子是一样的,但是电荷是相反的。中心带负电荷的“反质子”抓住带正电荷的“反电子”,也被称为“正电子”。正极和负极的吸引力是一样的,所以把原子变成分子的电磁力,也应该适用于反原子。
当一个粒子遇到它的反粒子孪生兄弟时,它们会在一瞬间相互湮灭。这种毁灭不只是科幻里的情节。有些放射性物质会自然地释放正电子。事实上,正电子湮灭已经在医学诊断中使用了几十年,其形式是在医院中发现的正电子发射断层扫描扫描仪。
但是,当物理定律暗示大爆炸的能量应该同样凝结成物质和反物质时,为什么宇宙中有物质,而不是什么都没有呢?他们本应该互相消灭的。
但是这个理论正确吗?它在20世纪90年代通过在粒子加速器中湮灭电子和正电子进行了测试。它们以接近光速的速度加速,迎头相撞。由此产生的能量闪光,在一个比单个原子核还的区域内,类似于宇宙诞生后不久的情况。
通过记录这些“爆炸”的结果,实验证实了能量可以转变为平衡粒子和反粒子。它强化了物质和反物质在完美平衡中出现的观点。那么缺失的反物质在哪里呢?
解决这个谜题需要研究反物质原子。如果正电子恰好被反质子的电场捕获,就会有一个反氢原子。它没有净电荷,但它会对磁场做出反应。但是你如何保存一种物质,它能破坏它接触到的任何东西呢?
首先,你需要一个非常好的真空环境,这样反物质就不会无意中撞到空气中的游离原子。然后你需要让它远离你的容器,因为这些也是由物质构成的。解决方案是一个“磁瓶”,利用电场和磁场来囚禁反物质。
然而,要研究反氢原子,你首先需要制造和储存大量的原子。目前的挑战是让正电子和反质子足够靠近,使它们的电吸引力有机会捕获它们,在它们被普通物质湮灭之前形成一个反氢原子。
这已经在欧洲核子研究中心完成了,通过在一台名为反质子减速器的机器中减慢反质子的速度。然后电磁力和正电子把它们聚集在一起。自2009年以来,阿尔法已经有几百次将原子捕获在磁瓶郑
2011年,欧洲核子研究中心的阿尔法实验成功地制造出了反氢原子相当于氢的反物质,并将其储存了近17分钟。第二年,科学家们改变了反原子的磁场方向,用微波照射它们。这表明,更详细地测量它们的性质是可能的。
2014年1月,欧洲核子研究中心的科学家创造了一束反氢原子,并在光束中发现了80个反物质原子。这离揭开反物质之谜又近了一步,因为要收集足够的数据来回答重大问题,需要大量的反氢原子。
科学家们将要研究的是原子光谱一种类似条形码的彩色线条图案。反氢原子中正电子的行为被预测与氢原子中的电子完全相同,因此它们的原子“条形码”应该是相同的。
如果它们的原子“条形码”有任何不同,我们就会发现物质和反物质之间的区别,尽管科学家们还得弄清楚这意味着什么。当它们出现时,我们可能更接近于解开失踪的反物质之谜,以及为什么有东西而不是什么都没有的问题。
到目前为止,欧洲核子研究中心的科学家已经成功地储存了几百个反物质原子。如果他们能做得更多,可能性是深远的。仅仅一克反物质就可以用来驱动宇宙飞船飞向火星,或者制造出一颗相当于广岛原子弹的炸弹。
然而,科学可能会阻止这种应用。用目前的技术,生产一克需要100亿年的时间,10亿个瓶子来储存它,至少需要你回收的能量。或许,如果安全储存少量反物质,世界会变得更好。