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反物质浅谈
一个令人苦恼的结果
众所周知， 科幻小说作为一种特殊形式的小说， 常常从现代科学的发展中吸取新的概念， 反物质就是其中之一。 二十世纪四十年代， 美国科幻小说家威廉森 (Jack Williamson) 创作了一系列以反物质为题材的小说， 称为 CT 故事， 其中 “CT” 是他为反物质所拟的名称 “Contra-Terrene” 的缩写。 威廉森的 CT 故事问世后不久， 另一位美国科幻小说家阿西莫夫 (Isaac Asimov) 也在自己脍炙人口的机器人故事中引进了反物质的概念， 他所设想的机器人大脑是所谓的 “正电子大脑” (positronic brain)， 而正电子是电子的反粒子， 是反物质的基本组元之一。 二十世纪六十年代， 著名科幻电视连续剧《星际旅行》开始播出， 在这部迄今已连续创作和播出四十年之久、 拥有不止一代忠实观众的电视连续剧中， 反物质是星际飞船的重要燃料 - 这一点现在已几乎成为所有以星际旅行为题材的科幻小说的共同特点。 反物质概念在科幻小说中的频频出现， 使公众对这一概念产生了浓厚的兴趣。
那么， 反物质这一概念最初是如何被提出的？ 人们是如何发现反物质的？ 反物质究竟是不是一种有效的燃料？ 我们的宇宙中到底是物质多呢还是反物质多？ 这些就是本文将要向大家介绍的内容。
反物质这一概念在学术界的出现最早可以追溯到十九世纪末。 1898 年， 英国物理学家舒斯特 (Arthur Schuster) 在给《自然》杂志的一封信中提到， 既然电荷可以有负的， 金子说不定也可以有负的， 而且负金子说不定和我们熟悉的金子有着一样的颜色。 这或许是有关反物质的想法在科学文献中的最早萌芽。 不过舒斯特有关反物质的想法只是一种简单而模糊的思辨， 没有真正的理论依据， 因而也没有引起任何重视。 反物质概念在物理学上的真正渊源， 是从将近三十年后的 1927 年开始的。 那一年， 量子力学奠基人之一的英国物理学家狄拉克 (Paul Dirac) 提出了一个描述电子运动的数学方程式。
狄拉克所提出的这一方程 - 被称为狄拉克方程 - 是一个既具有量子力学特征， 又满足狭义相对论要求的方程。 这在当时是很令人耳目一新的结果[注一]。 更漂亮的是， 这一方程还出人意料地自动包含了此前为解释实验结果而不得不人为添加到量子力学中的一些的东西 - 一些在当时看来绝非显而易见的东西 - 比如电子的自旋和磁矩。 作为一个方程式， 狄拉克方程的形式之简洁， 内涵之丰富， 预言之神奇， 似乎达到了物理学家们梦寐以求的境界。
但这一方程式的野心似乎还不止于此， 它还包含了另外一个重要结果 - 可惜这回却是一个令人苦恼的结果。
这个令人苦恼的结果是： 狄拉克方程所描述的电子总能量既可以是正的， 也可以是负的。 我们知道， 人们在自然界中从未发现过总能量为负的电子， 因此狄拉克方程似乎允许存在一些自然界中不存在的东西。 仅仅是这样倒还罢了， 大不了我们假定自然界中所有的电子恰好都是正能量的。 但不幸的是， 按照量子力学的规律， 一个理论只要允许电子具有负能量， 那么正能量电子就会在很短的时间内通过量子跃迁进入到负能量状态， 从而变成负能量电子。 这种跃迁的结果无疑是灾难性的， 与现实世界也大相径庭[注二]。
错误描述中的正确结论
这么看来， 狄拉克方程看似漂亮， 实际上却似乎是错的， 不仅错了， 而且还错得相当离谱， 错得足可把整个世界都搭进灾难。 但一个错得如此离谱的方程又怎可能包含如此多看起来正确得惊人的结果呢？ 莫非真的应了那句俗语： 真理过头一步就是谬误？
为了解决这个令人苦恼的两难问题， 狄拉克于 1930 年提出了一个大胆的假设， 那就是负能量电子的确是存在的， 不仅存在， 而且还很多， 多到足以把所有负能量状态都占满的地步。 由所有这些负能量电子组成的 “海” 就是我们平时所说的真空。 狄拉克之所以提出这样古怪的假设， 是因为当时人们已经知道了一条重要的物理原理， 叫做泡利不相容原理， 它表明任何两个电子都不可能具有相同的状态。 既然任何两个电子都不可能具有相同的状态， 那么一旦所有负能量状态都被负能量电子占满， 正能量电子也就不可能再进入负能量状态了。 这样一来， 负能量状态的存在就不再成为问题了。
狄拉克的假设挽救了他的方程， 却带来了一个新的问题。 那就是他的假设虽然阻止了正能量电子进入负能量状态， 却并不妨碍负能量电子因获得外来的能量而变成正能量电子。 一旦出现这种情形， 除产生一个正能量电子外， 真空中还将出现一个因负能量电子空缺而形成的空穴， 这种空穴等价于一个具有正能量， 并且带正电荷的粒子 (请读者想一想这是为什么？)。 那么这种带正电的粒子究竟是什么粒子呢？ 狄拉克的数学直觉告诉他那应该是一个质量与电子质量相同的粒子。 但当时物理学家们所知道的唯一带正电的基本粒子是质子， 其质量比电子质量大了一千八百多倍。 因此如果空穴的质量与电子质量相同， 它将是一种新的带正电的粒子， 这是一个很大的麻烦。 今天的读者也许难以理解这种视新粒子为麻烦的想法。 换作是在今天， 能够预言新粒子不仅不是麻烦， 往往还会被认为是令人兴奋的结果 (除非有显著的实验证据表明这种新粒子不可能存在而未被发现)。 但提出新粒子这种后来一度成为家常便饭且蔚为时尚的做法对当时的物理学家来说却几乎是一个思维禁区 - 一个连素以勇气著称的量子力学奠基者们也未敢轻易逾越的思维禁区。 在这一思维禁区面前， 具有极高数学天赋， 并且一向崇尚数学美的狄拉克犯下了一生为数不多的显著错误之一， 他放弃了自己的数学直觉， 提出空穴对应的粒子是质子。
幸运的是， 思维禁区束缚得了思维， 却束缚不了计算； 物理学家的思维禁区束缚得了物理学家， 却束缚不了数学家。 狄拉克的观点提出后， 与他同时代的物理学家海森伯 (Werner Heisenberg) 和泡利 (Wolfgang Pauli) 分别对空穴的质量进行了计算， 结果表明它应该与电子质量相同， 数学家外耳 (Hermann Weyl) 更是从理论的对称性出发直接证明了这一点。 另一方面， 不管空穴是什么， 既然它是电子离开所留下的， 那么电子显然也可以重新跃回空穴， 一旦出现这种情况， 电子与空穴就会一起消失 (变成能量)， 这种过程被称为湮灭。 如果空穴是质子， 那么这就意味着电子可以与质子互相湮灭。 这结果看起来显然很令人不安， 因为电子和质子是组成物质的基本粒子 (当时中子尚未被发现)， 如果它们可以相互湮灭， 那么物质的稳定性就成问题了。 当然， 问题到底有多严重还得看湮灭的快慢程度， 或者说湮灭的几率。 美国物理学家奥本海默 (Robert Oppenheimer) 和俄国物理学家塔姆 (Igor Tamm) 分别计算了这种几率， 结果发现它相当大， 足以使物质世界在很短的时间内就崩溃离析。
在这些结果的连环打击下， 空穴是质子的假设遭到了灭顶之灾。 1931 年， 狄拉克纠正了自己的错误， 并提议将空穴所对应的质量与电子质量相同， 电荷与电子电荷相反的实验上尚未发现的新粒子称为反电子 (anti-electron)。 这一回， 他彻底突破了禁区， 不仅提出了反电子， 而且进一步提出质子及其它粒子 (如果有的话) 也应该有相应的反粒子。 如果所有粒子都有反粒子， 那么就完全有可能存在由反粒子组成的物质， 这种物质就是人们所说的反物质。 因此从某种意义上讲， 这一年 - 即 1931 年 - 可以被视为是反物质概念诞生的年代。
按照狄拉克对反粒子的描述， 反粒子是粒子脱离负能量状态后留下的空穴， 因此反粒子与相应的粒子可以湮灭。 这种湮灭有可能使粒子与反粒子同时转化为能量 (即光子)[注三]， 这是理论上所能达到的最高能量转化效率。 这种转化效率是如此之高， 以至于一克反物质与一克物质湮灭所产生的能量就足以超过广岛和长崎原子弹所释放能量的总和。 若有朝一日人类能够广泛地利用反物质作为能量来源， 无疑将会带来巨大的技术飞跃。 这是反物质成为最受科幻小说家青睐的能量来源的根本原因。
不过需要指出的是， 狄拉克对反粒子的描述虽然直观， 而且听起来颇有道理， 其实在今天看来却只有历史价值。 用许温格 (Julian Schwinger) 的话说是 “最好作为历史的猎奇而被遗忘”。 如我们在上面介绍的， 狄拉克的描述需要通过泡利不相容原理来阻止正能量粒子进入负能量状态。 对于电子和质子这样的粒子 - 被称为费米子 - 来说， 这恰好是可以做到的。 但自然界中还存在另外一类粒子 - 被称为玻色子， 它们并不满足泡利不相容原理。 对于那样的粒子， 狄拉克有关反粒子的描述就无能为力了。 不仅如此， 按照狄拉克的描述， 正反粒子的产生必须是成对的， 因为一个新粒子的产生必定会留下相应的空穴 - 即它的反粒子， 反过来， 新空穴的出现也只能是由于相应粒子的产生 (即脱离负能量状态)。 但实验却表明这种粒子与相应反粒子的 “双宿双飞” 并不普遍成立。 比方说在 β 衰变中， 电子的出现就并不伴随反电子。 因此狄拉克对反粒子的描述细究起来并不正确， 这一点不仅被许多科普读物所忽视， 甚至在一些现代教科书中都没有加以明确的说明， 这是不应该的。 对反粒子的普遍描述， 是在量子场论出现之后才建立起来的。 不过狄拉克对反粒子的描述虽然并不正确， 它所包含的一些基本结论， 比如反粒子与相应的粒子质量相同， 所带电荷及若干其它量子数相反， 正反粒子可以相互湮灭等， 却是普遍成立的， 并且它的提出对量子场论的产生起到过启发作用， 从这个意义上讲它对物理学的发展功不可没。
走错方向的电子还是走对方向的正电子？
与反粒子理论的曲折发展同样生动坎坷的是实验物理学家们发现反粒子的故事。 对于实验物理学家来说， 这个故事多少带着点遗憾， 因为其实早在狄拉克提出反粒子概念之前， 反粒子就已经在实验室里留下了踪迹， 却被实验物理学家所忽略， 这才让理论物理学家捷足先登。
在二十世纪三十年代， 物理学家们探测带电粒子径迹的主要工具是云室。 云室不仅可以显示带电粒子的径迹， 通过将云室放在磁场中， 还可以进一步判断粒子所带电荷的正负， 因为正负性不同的电荷在穿过磁场时会向不同方向偏转。 早在狄拉克提出反粒子概念之前， 实验物理学家们就在云室照片中发现过一些类似于电子， 却与电子有着相反偏转方向的径迹。 这些径迹其实正是反电子掠过云室留下的倩影。 可惜就象狄拉克起初不敢把空穴诠释成反电子一样， 实验物理学家们也未曾想到把那些反常的径迹诠释成一种新的粒子， 从而错失了先于理论而发现反电子的机会。
直到狄拉克提出空穴是反电子之后， 云室中的那些反常的径迹才引起了一些实验物理学家的重视。 英国卡文迪许实验室的物理学家布莱克特 (Patrick Blackett) 最早告诉狄拉克说自己与同事可能已经发现了这种新粒子存在的证据。 但即便有狄拉克当出头鸟， 布莱克特仍不敢贸然发表自己的发现， 他打算做进一步的核实。 这一延缓把发现反电子的优先权拱手让给了大西洋彼岸的美国物理学家安德逊 (Carl Anderson)。
安德逊当时在美国西岸的加州理工大学从事宇宙射线研究。 与其他一些实验物理学家一样， 他也在自己的云室照片中发现了类似于电子， 却与电子有着相反偏转方向的径迹。 这样的径迹数量并不稀少， 这一点引起了安德逊的重视， 于是他把这一发现告诉了当时正在欧洲进行访问的导师密立根。 密立根也是一位实验物理大师， 曾因测量电子电荷及光电效应方面的工作获得 1923 年的诺贝尔物理学奖。 他认为安德逊所发现的径迹是质子产生的。 质子所带的电荷与电子相反， 因此可以解释观测到的偏转方向与电子相反这一事实。 但密立根的质子解释有一个致命的弱点， 那就是象质子这样的重粒子在云室中的径迹应该远比象电子这样的轻粒子来得显著。 可是安德逊所发现的径迹却并未显示出这种差异， 因此密立根的质子解释很快被排除了。
另一方面， 安德逊自己也提出了一种解释， 他认为偏转方向与电子相反的径迹有可能是由反方向运动的电子产生的， 这种解释也曾经被欧洲物理学家们用来解释类似的径迹。 单纯从径迹的偏转方向上讲， 它的确可以说得通。 但安德逊的反向电子解释也有一个令人困惑的地方， 那就是他所研究的是宇宙射线， 而宇宙射线应该来自天空， 从而应该都是自上而下穿越云室的， 既然如此， 反方向运动的电子又从何而来呢？ 显然， 解决这一疑问最直接的办法就是对电子运动的方向进行直接验证。 为此， 安德逊在自己的云室中间插入了一片薄薄的铅板。 由于粒子穿过铅板速度会变慢， 因此只要对粒子在铅板上下的速度大小进行比较， 就可以判断粒子的运动方向[注四]。 通过这一手段， 安德逊发现绝大多数偏转方向与电子相反的粒子都和电子一样来自天空， 也就是说它们的运动方向与电子是相同而不是相反的。 这就把安德逊自己的反向电子解释也排除了。
这两种解释都被排除了， 留给安德逊的就只剩下一种解释了： 那就是这是一种带正电、 质量却远比质子轻的粒子 - 一种尚不被实验物理学家所知的新粒子。 但这种解释也有一个问题： 那就是这样一个质量不大的新粒子为什么以前一直未被发现呢？ 如果安德逊知道狄拉克的空穴理论， 他或许会想到那是因为这种粒子是反电子， 它很容易因为与电子相互湮灭而从人们眼皮底下消失。 可当时安德逊并不知道狄拉克的空穴理论， 因此这唯一的解释看起来似乎也不太可能。 不过看起来不太可能和完全不可能终究是有差别的， 福尔摩斯有一句虽不严谨但很管用的名言： 当你排除了所有不可能的解释， 剩下的无论看起来多么不可能， 一定就是真理。 安德逊知道这时不应该犹豫了， 于是他不顾密立根的反对于 1932 年 9 月公布了自己的发现。 四年后， 这一发现为他赢得了诺贝尔物理学奖。
安德逊发现新粒子的消息一传到欧洲， 布莱克特和他的同事立刻意识到自己犯下了迟疑不决的兵家大忌， 他们已经发现却未敢发表的显然正是同样的粒子。 于是他们立刻也发表了自己的结果。 他们虽不幸在时间上落后于安德逊， 却有幸在空间上占据了一个有利条件， 那就是他们离狄拉克很近。 安德逊虽然发现了新粒子， 却不知道它和电子的关系， 而布莱克特和他的同事不仅知道新粒子和电子的关系， 还知道它和电子可以成对产生， 于是他们在自己的云室照片中有意识地寻找这种产生过程的证据， 并如愿以偿地成为首先发现正反粒子对产生过程的物理学家。
在这些成果的发表过程中， 反电子获得了一个新的、 后来更为流行的名称： 正电子 (positron)。 这一名称是一位杂志编辑向安德逊建议的， 它的本意是 “正子” (当时安德逊并不知道这一粒子与电子有关)。
从反粒子到反物质
正电子成为人类发现的第一种反粒子并非偶然。 因为与之相比， 其它反粒子要么在宇宙线及天然放射源中比较稀少， 而早期加速器的能量又不足以产生； 要么由于相互作用太弱而不易检测， 其发现的难度都远远大于正电子。 因此自正电子被发现之后， 发现反粒子的步伐停顿了下来， 直到二十几年后才迎来了一阵美妙的爆发。 1955 年， 赛格雷 (Emilio Segrè)、 张伯伦 (Owen Chamberlain) 及其合作者发现了反质子 (赛格雷和张伯伦获得了 1959 年的诺贝尔物理学奖)； 次年考克 (Bruce Cork) 及其合作者又发现了反中子。 至此组成物质的三种最重要粒子的反粒子都被发现了。 此后， 其它基本粒子的反粒子也被陆续发现 - 当然， 后来的那些发现对物理学家们来说已毫无悬念， 因为在理论上， 除少数粒子与其反粒子相同外， 所有其它粒子都应该有自己的反粒子。
不过尽管随着加速器能量的持续提高， 反粒子的发现和产生已不再稀罕， 但反粒子很容易被 “正” 粒子湮灭， 因此它们的保存是一个极大的技术难题。 直到二十世纪八十年代， 物理学家们才开始掌握了保存少量反粒子的手段。 但是要想保存更多的反粒子， 却又面临另一个技术难题。 因为带同种电荷的反粒子相互排斥， 中性的反粒子又不稳定。 要想积累反粒子， 比较可行的手段是让带不同电荷的反粒子象普通粒子配成原子那样配成中性的反原子。 但是让那些极易湮灭， 通常又高速运动的反粒子乖乖地组成原子又谈何容易？ 这项工作直到 1995 年才由德国物理学家欧勒特 (Walter Oelert) 领导的实验小组所完成， 他们在欧洲核子中心的低能反质子环上成功地制备出了九个反氢原子。 虽然只有区区九个 - 与普通原子动辄就是几个摩尔 (一摩尔约有六千万亿亿个) 的海量相比少得简直不值一提， 但这一消息 1996 年初一经披露立即引起了世界性的轰动。 许多大媒体用显著的标题进行了报道， 欧勒特本人也受到了媒体记者的 “围追堵截”， 有记者甚至试图把欧勒特从飞机上拦截下来进行采访。 反氢原子的制备之所以引起媒体如此广泛的关注， 是因为原子和分子是承载物质物理和化学性质的基本组元。 从这个意义上讲， 反氢原子的成功制备是人类有史以来首次制备出了反物质， 此前所研究的只能称为是反粒子而不是反物质。 对媒体来说这无疑是一个极大的兴奋点。
不过欧勒特制备反氢原子虽是欧洲核子中心有史以来最受媒体关注的新闻之一， 但该中心的粒子物理学家们却大都只是将之视为实验工艺上的成就， 有人甚至戏称其为 “新闻实验”。 因为从理论上讲， 由反粒子组成反原子乃是稀松平常之事； 而从实用的角度讲， 欧勒特制备的反氢原子不仅数量稀少， 而且存在的时间也短得可怜， 只有一亿分之四秒， 距离实用无疑还差十万八千里。 欧勒特实验成功后的第二年， 欧洲核子中心关闭了为这一实验及其它三十几个实验立下过汗马功劳的低能反质子环。这个低能反质子环在它服役的十四年间总共产生了超过一百万亿个反质子。 如果把这些反质子全部当成反物质燃料与质子湮灭， 它们所产生的能量大约可以让一盏一百瓦的灯泡点亮五分钟[注一]。 将这点微不足道的能量与十四年间为产生这些反质子而消耗的巨大能源相比， 我们可以看到用反物质作为能源在目前还是极度地得不偿失。
但这些技术上的困难并不妨碍人类的想象力将反物质作为未来可能采用的一种能源。 这种能源除了具有理论上最高的转化效率外， 还有一个非常吸引人的优势， 那就是洁净。 我们知道， 传统的能源， 无论是化学能还是核能， 通常都会在使用后产生有害的残留物， 比如废气、 核废料等， 而正反物质的湮灭却可以将燃料彻底转化为能量， 从而不留下任何残留物质， 因此它是一种理论上最洁净的能源。 这样既洁净又高效的能源不仅是科幻小说家的最爱， 对于工程和军事领域来说也有着无穷的魅力。 早在二十世纪中叶， 美国和前苏联的氢弹之父就各自提出过反物质武器的可能性。 在美苏冷战的后期， 伴随星球大战计划的展开， 美国军方开始了反物质应用方面的研究。 这些在当时技术条件下近乎于军事大跃进的研究计划后来随着前苏联的解体和冷战的落幕而下马了。
到目前为止， 反物质除了基础物理研究外， 主要的应用领域是在医学影像方面。 就人类目前所能达到的技术水平而言， 依靠人工制备的反物质作为能源还是很不现实的想法， 因为制备反物质所需的能量投入远远超出了可能的能量产出。 不过如果我们放任自己的想象力的话， 希望总是有的。 比方说， 假如宇宙中存在足够规模的天然反物质源， 情况就将有所不同， 因为那样我们就不必为制备反物质而费心了 (虽然高效而安全地收集和保存反物质仍将是极具难度的挑战)。 这就给科学家们提出了一个很大的问题， 那就是： 宇宙中有可能存在那样的反物质来源吗？
宇宙的主人和客人
物理学家们曾经对这一问题作出过肯定的猜测。 狄拉克在他的诺贝尔演讲中就曾表示， 如果正反物质是完全对称的， 那么宇宙中完全有可能存在由反物质组成的星球。 如果将这种猜测发挥一下， 那么我们还可以设想宇宙中不仅存在由反物质组成的星球， 甚至有可能存在由反物质组成的生物。 另一方面， 在宇宙大爆炸初期的极高温条件下， 正反物质的产生应该是同等可能的， 从这个角度讲似乎也有理由预期宇宙中存在大量的反物质， 甚至在数量上与物质等量齐观。
但随着理论和观测的逐步深入， 这些初看起来不无合理性的猜测渐渐暗淡了下来。
首先可以明确的一点是： 由于反物质与物质会相互湮灭， 因此在我们所生活的这颗小小的蓝色星球上， 象发现煤矿或铀矿那样发现 “反物质矿” 是完全不可能的。 不仅如此， 反物质在整个太阳系中的存在也是微乎其微的， 因为否则的话， 由太阳发出， 被称为太阳风的粒子流与反物质之间的湮灭早就应该被发现了。 再往远处看， 情况也没有实质的改变， 虽然宇宙射线中存在一定数量的反粒子， 有些地方甚至存在反粒子源， 但那些反粒子大都来自普通物质所参与的高能物理过程。 迄今为止并无任何确凿的证据， 表明宇宙中可能存在反物质星球， 或任何其它大范围的反物质分布。
事实上， 不仅没有确凿证据表明宇宙中存在大范围的反物质分布， 相反， 却有不少证据表明大范围的反物质分布不太可能存在。 这种证据之一来自于宇宙中重子 (主要是质子和中子) 数量和光子数量的比值。 我们知道， 极早期宇宙中充斥着各种基本粒子， 它们随时被高能物理过程所产生， 也随时相互湮灭。 当宇宙的温度逐渐降低时， 粒子的产生过程开始受到抑制， 因为它们所需的能量越来越难以达到。 对于重子和反重子来说， 这大致发生在宇宙温度为十万亿度的时候。 在这个温度以下， 湮灭过程起到主导作用， 重子与反重子很快因为彼此湮灭而转变为光子或其它轻粒子。 在那样的过程中重子与反重子变得越来越少， 直至其密度低到连湮灭过程也无法有效进行为止， 那时仍残留的重子就组成了我们今天所生活的物质世界 (由此可见我们的物质世界是多么地来自不易)。 这种过程所导致的一个显而易见的后果， 就是今天宇宙中的重子数远远少于光子数， 而且早期宇宙中的重子与反重子越对称， 这种湮灭过程就会进行得越彻底， 今天宇宙中的重子数相对于光子数也就会越少。 观测表明， 今天宇宙中的重子数与光子数之比大约为一比十亿。 这虽然已经是一个很小的比例， 但理论计算表明， 如果湮灭过程开始起主导作用时宇宙中重子与反重子是完全对称的话， 这个比例还要小得多， 大约会是一比一百亿亿。 因此， 我们所观测到的重子数与光子数之比是一个很有力的证据， 它表明早期宇宙中的重子与反重子是不对称的， 而我们赖以生存的整个物质世界正是这种不对称性的产物， 是一个反物质极为稀少的宇宙。
有读者可能会问， 是否有可能出现这样的情况， 即早期宇宙中的重子与反重子完全对称， 只不过由于某种原因而彼此分离了开来， 从而没有发生有效的相互湮灭？ 如果是这样， 那就既可以保持物质与反物质之间的对称性， 又可以解释为什么我们观测到的重子数与光子数之比远比由对称性所预期的一比一百亿亿来得高。 应该说， 这是一个很不错的问题， 事实上， 物理学家们曾经考虑过这样的可能性。 但这种猜测有两个致命的弱点： 一是没有任何已知的物理过程可以将随机产生的重子和反重子有效地加以分离； 二是如果早期宇宙中真的存在过这种正反物质分离的情况， 那么正反物质的湮灭在空间分布上将是高度非均匀的， 这应该会在今天的宇宙微波背景辐射中留下遗迹。 这样的遗迹并未被发现， 因此这种可能性基本可以被排除。 因此， 无论观测还是理论都表明： 我们今天所生活的宇宙是一个正反物质不对称的宇宙， 物质是这个宇宙的主人， 反物质只是稀客。
恼人的不对称之谜
既然我们所生活的宇宙是一个正反物质不对称的宇宙， 那么一个很自然的问题就产生了， 那就是为什么会出现这种不对称？ 对此， 科学家们曾经有过两类不同的看法。 其中第一类看法认为正反物质的不对称是由初始条件决定的， 或者说是 “先天” 造就的。 显然， 这类看法比较消极， 几乎等于是回避问题。 令人欣慰的是， 这种 “偷懒” 的看法在暴胀宇宙论出现后受到了沉重的打击。 因为按照暴胀宇宙论， 宇宙创生之初即便存在任何正反物质间的不对称性， 也会在暴胀过程中被稀释得微乎其微。 因此初始条件并不能对今天观测到的正反物质不对称性给出令人满意的解释。
既然初始条件不足以解释正反物质的不对称性， 那我们就只能寄希望于具体的物理过程了， 这就是第二类看法。 这类看法认为我们今天观测到的不对称是由某些特定类型的物理过程产生的。
那么究竟什么样的物理过程才能造成正反物质的不对称呢？ 早在 1967 年， 俄国氢弹之父萨哈洛夫 (Andrei Sakharov) 就提出了三个条件：
1.必须破坏费米子数守恒。
2.必须破坏 C 和 CP 对称性。
3.必须破坏热平衡。
这些条件后来被称为萨哈洛夫条件， 它们是任何能够产生正反物质不对称的物理过程或物理理论必须满足的。
萨哈洛夫条件中的第一条提到的费米子是组成物质的基本粒子， 比如电子、 质子和中子 (进一步细分的话， 质子和中子是由夸克组成的， 而夸克也是费米子)。 所有费米子的费米子数都是正的， 而反费米子的费米子数则是负的。 如果宇宙中的正反物质完全对称， 那么总费米子数将是零。 由于我们的宇宙中普通物质远比反物质多， 因此总费米子数是正的。 任何物理过程或物理理论要想让宇宙从正反物质完全对称 (从而总费米子数为零) 的状态演化到如今这个费米子数为正的状态， 就必须改变总费米子数， 从而必须破坏费米子数守恒。
萨哈洛夫条件中的第二条提到的 C 和 CP 对称性分别是基本粒子层次上的正反粒子对称性及正反粒子与宇称联合对称性。 其中正反粒子对称性要求将一个物理过程中的所有粒子 (反粒子) 替换成相应的反粒子 (粒子) 时过程发生的几率不变。 正反粒子与宇称联合对称性指的则是在上述替换的同时再将物理过程换成它的镜像 (好比是透过一面反射镜去看它)， 过程发生的几率也不变。 这两个对称性之所以必须被破坏， 是因为否则的话， 任何可以造成物质多于反物质的物理过程都会伴随一个与它同样可能的、 造成反物质多于物质的过程 (即上述替换过程)， 这样两类过程的效果将会相互抵消。
最后， 萨哈洛夫条件中的第三条之所以必须满足， 是因为否则的话， 任何可以造成物质多于反物质的物理过程都将与处在热平衡的逆过程相互抵消。
这三个条件虽然被称为萨哈洛夫条件， 不过萨哈洛夫本人在其长度只有三页的短文中其实并未如此鲜明地表述过这三个条件， 这些条件是后人依据他的思路所归纳及重新表述的。
在这三个条件的基础上， 物理学家们提出了许多理论模型， 试图对正反物质不对称的起源作出定量解释。 这些模型从相对简单的电弱统一理论 (它是粒子物理标准模型的一部分)， 到各种各样的大统一理论， 以及标准模型的超对称推广， 种类繁多、 应有尽有。 但迄今为止， 它们各自都存在一定的缺陷， 或是结果的数量级不对， 或是求解的困难度太大、 或是过于特设、 或是过于任意， 尚无一个令人满意。 不过尽管如此， 现代物理为正反物质的不对称找到一个合理解释的前景看来是比较光明的。
结语
限于篇幅， 我们有关反物质的介绍到这里就要结束了， 虽然自人类发现反粒子迄今已有大半个世纪， 但在理解物质与反物质的关系上还存在许多待解之谜。 除了宇宙学尺度上正反物质的不对称外， 在微观尺度上正反粒子也存在着令人困惑的不对称。 物理学家们曾经认为， 如果我们把一个微观物理过程中的所有粒子 (反粒子) 都替换成相应的反粒子 (粒子)， 并且透过一面镜子去看它， 那么我们所看到的新过程将与原过程有着相同的发生几率。 这种对称性就是我们介绍萨哈洛夫条件时提到的 CP 对称性。 由于这种对称性， 反物质有时也被称为镜像物质。 但令人困惑的是， 这一对称性既非完全成立， 也非完全不成立， 而是非常接近成立[注二]。 大自然为什么要让这面特殊的镜子如此接近完美却又不让它真正完美呢？ 我们不知道。
反物质是宇宙中的稀客， 但这稀客是从相对意义上讲的， 宇宙中反物质的绝对数量依然是极其庞大的， 足以为科幻小说留下巨大的驰骋空间， 这是值得庆幸的。 只不过， 反物质星球的存在看来是极不可能的， 因为没有任何天然的物理过程能够让反物质有效地汇集起来， 并在这一过程中免遭普通物质的 “致命骚扰”。 而反物质生物的存在则比反物质星球更加不可能得多， 因为即便存在反物质星球， 在那种星球上要想演化出生物来也是难以想象的。 我们知道， 即便在距离太阳系形成已有五十亿年、 太阳系空间已相当 “清澈” 的今天， 地球每天仍会受到有上千万次的陨石撞击 (这些陨石绝大多数在大气层中烧毁， 只有少数落到地上， 因此我们不必担心它们会恰好砸在我们头上)， 这些陨石的总质量约有几吨。 这样的质量相对于庞大的地球来说无疑是微乎其微的， 但同样的情形如果发生在一颗反物质星球上， 那么这几吨的陨石 (普通物质) 与星球上的反物质湮灭所释放的能量将相当于上百万颗广岛原子弹爆炸所释放的能量。 要在一个每天被上百万颗原子弹轰击的星球上产生生物， 这恐怕是最高级的想象力也难以胜任的。
因此， 如果有朝一日我们与某种外星球的高等生物建立了联系， 我们可以大大方方地伸出手去和他们相握 (如果握手对他们来说也代表友善的话)， 而不必担心大家会在这样的亲密接触中相互湮灭。
揭开反物质神秘面纱：一个看不见的宇宙
2011-6-27
安装在太空站的二代阿尔法磁谱仪。（资料图片）
有科学家认为，150亿年前的大爆炸中，形成了一正一反两个宇宙。正宇宙就是我们目前生存的宇宙，而反物质就是我们目前无法看得见摸得着的另一个世界。那么，这个反物质世界究竟存不存在，如何把它搜寻出来，一直是学界难题。
最近，美国“奋进”号航天飞机向国际空间站运送了一个独特的太空粒子探测器，科学家们试图用它去寻找宇宙中可能存在的反物质以及暗物质。为此，记者采访了中山大学参与该项目的科研工作者，揭开宇宙反物质的神秘面纱……
寻找反物质，验证宇宙起源
按照我们现有的宇宙起源理论，大爆炸之初，宇宙向着一正一反两个对立的方向发展。从科学家们构拟的图像来看，正反两个宇宙好像从中间一个原点向左右扩散开来的两片蝴蝶翅膀。物质宇宙的对立面，仿佛镜像一般，有一个反物质的宇宙。
在微观的粒子层面，也存在着这种对称。如今我们所熟知的组成物质的基本粒子，如电子、质子、中子等，都有与它们相反的粒子，它们在质量上、样子上与它对应的粒子一模一样，但所带的电荷正负恰恰相反。这些相反的粒子就称为反粒子，如反电子（即正电子）、反质子、反中子等。物理学家根据反粒子理论，提出了反物质假说，但是否真有反物质，至今仍是一个谜。因为粒子与反粒子是一对冤家，碰到一起会同归于尽，化作一束强光，连一点“尸首”都不留下，这种现象我们称之为湮灭。在大爆炸后，“蝴蝶”的另一片“翅膀”——反物质组成的宇宙神秘消失了。它去了哪里？
目前，许多反粒子已可以在实验中造出来。现在的正负电子对撞机就是利用加速器来获得人工反电子的。科学家还通过加速器获得了反质子、反中子和其他更小的反粒子。物理学家们认为，既然有反粒子，就应该有由基本的反粒子组成的反物质，如由两个反中子、两个反质子和两个正电子组成的反氦。反氦原子核如今是研究者们的重点搜索对象。
科学家一直盼望能找到反物质的“遗孤”，从而去证实或者推翻我们对宇宙起源的理解。反物质一靠近地球就湮灭了，那么在茫茫太空能找到吗？于是，一个大胆的探测项目诞生了，这就是著名的“阿尔法磁谱仪太空粒子探测项目”，简称AMS。这是物理学家丁肇中17年来唯一领军的项目，也可谓是当今粒子物理学界最前沿的实验。如何寻找？放块“大磁铁”到太空
AMS项目启动于1994年。那时美国国家航空航天局（简称NASA）花了很多钱来运作国际空间站，希望能进行一些有分量的科学研究。这时，丁肇中教授的一个“疯狂”想法传到了NASA局长戈尔丁的耳中：他想放一块大“磁铁”到太空，去探测宇宙中的反物质。这个想法太有创意了！戈尔丁当即找来丁肇中，两人一拍即合，商定由NASA负责送“磁铁”上太空，其他的研究经费、科学实验等则由丁肇中负责。项目本身的巨大吸引力和丁肇中教授本人的号召力，很快让他在全世界找到合作团队。
1998年，第一代阿尔法磁谱仪登上太空，短短10天的数据收集，就取得了太空粒子研究方面的重大发现。在这之后，二代磁谱仪的改良研发工作紧锣密鼓地进行。直到今年5月16日，改进后的AMS-02最终随着奋进号发射升空，整个项目历时17年，耗资20多亿美元。美国的《纽约时报》称这个项目是“有史以来最昂贵的科学实验之一”。
AMS项目台湾团队主持人、台湾“中央研究院”院士、粒子物理专家李世昌教授在接受本报专访时表示，5月19日，安装好的AMS-02已经开始有条不紊地运转，从太空收集到的粒子数据已经开始源源不断地传回，让粒子物理学家们眼前发亮的粒子数据已经开始出现。“对我们而言，真正的工作才刚刚开始。”李世昌教授说。
探测器守株待兔时刻“恭候”反粒子
有人说AMS-02看上去有点像是一摞垒砌起来的面包圈，其实它是永久磁铁。这个重达7吨，长4米、宽3米、高约5米的大个头人造磁铁产生的磁力超强，据说是地球磁场的1.7万倍。这样的体量，也让它能够探测更多的太空粒子。我国中科院电工所对磁体系统的精密设计让这个大磁场内部的磁性很强，外部却很弱，如此一来，空间站的运行就不会受这个大磁场的影响而左摇右摆。
据中大AMS团队的专家介绍，安装在空间站的AMS可谓是守株待兔，时刻等着宇宙各种粒子穿过磁场内部。AMS探测器含有五个子探测器，其中一个是用于探测反物质的，它可以辨别粒子是否带电荷，带的是正电荷还是负电荷。如果反氦原子核穿过，会被敏感地捕捉到。
中山大学AMS团队技术负责人何振辉教授称这是一个“大海捞针”的过程，他说，丁肇中先生曾将穿过AMS的太空中形形色色的粒子形容为一场场“大雨”，而仪器所要过滤的正是“雨滴”中异常的闪光点。“这捞出的针会是两头？还是三头？都还很难讲，但我们充满期待。”畅想：
正反物质相撞或带来能源开发前景
广东省政府为该项目投入巨资。中山大学的四个学院参与到这个项目的研发工作中，并研制了硅微条轨迹探测器的热控系统，简称“TTCS”。目前，整个热控系统运转正常，对整个探测器的正常运转起到了很好的保障作用。然而，我们为什么要到太空寻找反物质粒子？它跟我们的日常生活有关系吗？
“反粒子”已应用于肿瘤治疗
李世昌院士说，目前有一种新技术在逐渐被广泛使用——正电子断层造影。这一技术利用的就是反粒子的一些原理，来精确标示人体内的癌细胞。相比目前其他的确诊手段，正电子断层造影能更清晰地让医生比对出病人在治疗前后癌细胞控制情况的好坏。
“不少医生在使用这个设备，但对其背后有关粒子物理的东西却不甚了解。”李世昌说。他指出，1928年狄拉克提出反粒子理论，1932年安德森从宇宙射线中发现电子的反粒子——正电子，但他们都没想到，在2000年前后，人类已可以将它用在癌症诊断上。此外，目前用高能量光子照射肿瘤、杀死肿瘤细胞的尝试也被认为好于γ射线，它能更精准地杀死癌细胞，而且对肿瘤周围的正常组织的副作用大大降低。
正反物质相撞能产生巨大能量
未来或能被利用
中大参与该项目的吕树申教授则畅想，在未来，如果有办法捕捉到反物质，比如大胆想象能将“反粒子”存放起来，它和正粒子相遇湮灭的一刹那，会释放出巨大的能量。“现在都在开发核能，核能看起来已经很了不起了，但是这种正反物质相遇所产生的能量，会不会被人类利用，给人类带来新的能源呢？大胆畅想一下，倒也不妨。”吕树申说。
何时才能见到你真实的容颜
大型强子对撞机到底能不能撞出反物质和黑洞
发布时间： 2010-05-04 | 作者：张梦然
http://www.stdaily.com 2010年05月04日 来源： 科技日报 作者： 张梦然
LHC启动以来，发现了W玻粒子，科学家依然有信心。
本报记者 张梦然 综合外电
大型强子对撞机（LHC）的启动游戏“玩”了3年。 欧核中心的这个大家伙在今年3月末实施了7万亿电子伏特的质子束流对撞，这场迄今最高能量的质子束流对撞试验，用于模拟137亿年前宇宙大爆炸之后的最初状态。而今距当日对撞已近一个月，人们对结果翘首以盼：究竟有没有撞出什么不寻常之物？上帝粒子？反物质？抑或小型黑洞？ 据近日欧核中心官方网站、《新科学家》杂志及物理学家组织网对大型强子对撞机（LHC）的有关报道称，LHC上的巨大的超导环场探测器（Atlas）首战告捷，报告发现了W玻色子；而物理学家们以爱因斯坦场方程显示，LHC发生的高能对撞绝对可能会形成黑洞；至于揭去反物质这层神秘面纱，研究人员相信LHC实验，应是目前最有潜力的挑战者。 W玻色子：上帝粒子的影子 大型强子对撞机就像是科学界的巴别塔，地球人都知道它要寻找一种“上帝的粒子”。 “零自旋”的希格斯玻色子，之所以被认为非常重要，是因其惯性质量源头的身份：若该粒子出现，物质质量起源之谜也将会揭开；若该粒子不存在，理论上只能要求所有粒子无一例外，必须完全没有质量，这无疑与现行的实验观察相矛盾。 寻找它的方法是制造一个宇宙大爆炸发生后的模拟环境：比深空还要冷的温度、粒子接近光速的飞行、以及对撞机发出的强大能量。现在，LHC巨大的超导环场探测器（Atlas）首战告捷，在物理程序启动几天后，Atlas报告它首次发现了W玻色子。 希格斯玻色子已预计会衰变为W玻色子。因此，“W玻色子真的非常关键。”物理学家安德烈亚斯·霍克表示。领导Atlas研究团队的法比奥拉·吉亚纳蒂亦十分欣慰于W玻色子的出现迹象，这能使探测器快速认出新粒子，同时证明“大家伙”及其探测器都工作得很好。 W玻色子并非前所未见，在其他对撞机实验上早已露过脸。LHC的竞争对手——美国伊利诺伊州巴他维亚费米实验室2007年就曾对W玻色子进行了质量测量，降低了人们对希格斯玻色子质量的预测上限。但对于LHC来讲，它的探测器在尝试去发现新粒子之前，必须重新发现一次已经建立起来的这一个。 自3月30日LHC以7兆电子伏特开始碰撞以来，研究人员致力于对轻子和中微子的测定，因为W玻色子瞬间即会衰变成为轻子和中微子。目前，Atlas的热量计和μ子探测仪器已检测到轻子（无论正电子还是μ子）；中微子虽然不与探测器相互作用，但可以从衰变的总动量的不平衡推断出其存在。 根据爱因斯坦著名的质能方程（E=MC2），C为光速常量，为了找到大质量的粒子M，需要高能量E。如果在LHC模拟的极端状态下也无法找到希格斯玻色子，那么也许它根本就不存在，自然界本身毕竟要胜过所有实验与预测。 黑洞：撞出来亦无妨 大型强子对撞机在维修与试运行中不断反复，拖拖拉拉挑战着人们的耐性。 这样的进度其实是为了安全起见。关于LHC，人们最关心的一个问题是，它会不会导致黑洞形成，摧毁整个世界。 最初的宇宙爆炸瞬间，并没有充溢着现在这样稳定的质子，而是夸克－胶子等离子体。这些等离子体是在几微秒内变身成为现在的宇宙中常见的粒子。LHC非常关键的一部分就是要生产出非常不稳定的夸克－胶子等离子体，并以此研究宇宙洪荒之谜。 巨大能量带来的安全隐患一直使反对派声音层出不穷，还没启动，就有两名美国科学家正式起诉欧核中心及相关资助机构，认为LHC会制造出莫名奇妙的“杀手奇异子”（一种包含非通常夸克的假想粒子物质）或黑洞、可能毁灭人类。这一度引发了此类论调的盛行。之后尽管接受了涵盖各个方面的安全与环境影响审核，仍未能平息部分人的恐惧。 然而，在欧核中心科学家眼中，这台机器可使人们在实验室环境里最为细节化的了解我们所未知的自然界；印度物理学家认为，与LHC的价值相比，可能会撞出黑洞这件事其实是“舍不得孩子套不着狼”。 在最新的研究中，加拿大英属哥伦比亚大学的马修·卓普提克、美国普林斯顿大学的弗兰斯·比勒陀利乌斯通过爱因斯坦场方程，有力佐证了在广义相对论下，LHC是完全有可能产生小型黑洞的。 爱因斯坦场方程能表示空间的弯曲状况、物质分布和运动状况，十分复杂。研究人员利用该方程描述了在特定能量环境下，如果粒子碰撞能量达到普朗克能量级的话，就可能制造出小型黑洞。场计算背后的深奥理论基础是弦理论。这一被称为“大爆炸理论之后最大发现”的学说，阐释了在可看到的三维立体空间以外，存在多维宇宙空间。据其观点，如果额外的维度足够大，LHC中发生的粒子撞击就会产生黑洞。 这种小型黑洞并不是天文学规模上的“小”。牛津大学物理系的奇戴姆·艾瑟威尔称，LHC里的两个相撞质子（如夸克和胶子）的施瓦氏半径，至少比普朗克长度小15个等级，而普朗克长度已是在常规宇宙中可获得的物体最小间距，因此产生的黑洞会微型到难于发现。 黑洞最终都会消失，且消失速度与黑洞的质量成反比。奇戴姆指出，LHC如果撞出了微型黑洞，它会因太小且太热（太阳温度的后边再加42个零），刹那间就会在周围的低温中消失不见，变成很多微小粒子，只有利用Atlas探测器才可以发现它们。一句话，即使LHC里确实形成了黑洞，人们也看不见它们。 反物质：发现之路漫漫兮 理论与证据都显示，初期宇宙介质的温度非常高，粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子，正反物质在此时应当等量，经过逐步过渡，才成为今日以正物质为主的状态。但现在的宇宙线及天然放射源中，反粒子的发现微乎其微，那些反物质究竟遁形于何处？LHC实验的最主要任务，就是推导出这个过程并找到答案。 反物质的闻名于世仰仗于精彩的文学描述。早期《星际迷航》中出现利用反物质作燃料的飞船；丹·布朗某畅销书中的主角就是“一粒即可毁天灭地”的反物质。巧的是，在丹·布朗笔下，这粒反物质居然也出自欧核中心，由一位老科学家让两簇粒子以极高的速度在加速管中迎面对撞而得。 在现实世界，1932年，公布发现的带正电电子震惊了学界，但当时在自然界获取反粒子的途径比较稀少，且早期粒子加速器的能量又不足以产生它们，因此之后反粒子的研究步伐停顿了下来，直到二十几年后才迎来了其美妙的爆发：1955年发现了反质子；次年又发现了反中子。至此组成物质的三种最重要粒子的反粒子都被发现了。此后，其他基本粒子的反粒子发现，对物理学家们来说已毫无悬念。 1995年，欧核中心曾制造出数颗反氢原子，成为世界上第一批反物质样本。2008年11月，在美国三大核武器实验室之一的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，利用短脉冲、高强度激光照射1毫米大小的黄金，产生了数十亿的反物质粒子样本。 欧核中心的理论专家安东尼奥·利奥多称，现在，LHC若要揭开反物质之谜，需要通过对稀有衰变的研究，以便能提供出更精确地关于底夸克和奇异介子的信息。相辅相成的是，如果LHC能找到质量不多于130GeV的希格斯粒子，且其能伴随着一种轻的超对称粒子（顶超对称夸克）的发现，将为反物质提供一项实验性支持。 任何情况下，宇宙原始反物质消失之谜都无法用现行的“标准模型”理论来解答。不过，这反而会令科学家更兴奋—— 因为，物理学“标准模型”不能涵盖一切，人们需要另外一种不同寻常的理论来解释这世界。这是人们目不转睛注视着LHC的原因，它是揭晓一切答案的最有潜力者。 附件：attachment1 attachment2责编：张伟春
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文章提供 于 2006-4-19 3:7:10
文章作者: 杨孝文 任秋凌 [ 回 即时新闻 首页 ] [ 加入博客 ] [ 回 顶顶华闻 主页 ]
科幻故事中大多数飞船都是用反物质作为燃料，原因就是反物质是已知最有效的燃料。若要实现人类载人火星探索的伟大梦想，我们需要数吨化学燃料，相反，若使用反物质，则仅需数十毫克。然而，事实上，这种动力的诞生也伴随着代价。有些反物质的反应会生成大量高能伽马射线。伽马射线就如同照射在类固醇上的X光一样，它们能穿透物质，分解细胞内分子，因此，它们会对人体有害。另外，高能伽马射线由于会使制造发动机材料的原子破裂，会让发动机本身也具有放射性。
美国正在开发反物质飞船
美宇航局(NASA)先进概念研究所(NIAC)正在资助一个研究小组从事将反物质作为未来飞船燃料的开发工作，这种飞船会生成低能伽马射线，从而避免了射线产生的副作用。
反物质有时也被称为常规物质的镜像，因为虽然它们看上去与普通物质没什么区别，但反物质的一些特性是颠倒的。例如，正常电子(携带有从手机到等离子电视等所有物体上电流的常见粒子)有负电荷。正电子(Anti-electron)则具有正电荷，所以，科学家称其为“正电子”。当反物质同物质相遇时，二者会以瞬间能量湮灭。这种能量转化过程也正是反物质如此强大的奥秘所在。即便是为原子弹提供动力的核反应也比这种能量转化慢，且只有其质量的3%转化成能量。0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;'>
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此前的反物质动力飞船设计所采用的是反质子，反质子在湮灭时能产生高能伽马射线。新设计将采用正电子，这将使伽马射线的能量是原来的四百分之一。先进概念研究所目前展开的工作只是初步研究，旨在证实上述方案是否具有可行性。倘若前景广阔，先进概念研究所就可以吸收足够资金成功开发该技术，正电子动力飞船将比现有载人火星探索计划(称为“火星意义任务”)具有更多优势。
反物质飞船优势多多0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;'>
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美国新墨西哥州圣大菲正电子研究公司(Positronics Research)杰拉尔德·史密斯博士说：“最为显著的优势是正电子动力飞船具有更高的安全性”。目前的火星参数任务(Mars Reference Mission)要求核反应堆将飞船推进至火星。这种方式之所以值得期待，是因为核动力推进可以减少飞船到达火星的时间，这样一来，由于宇航员暴露于宇宙射线的时间减少，从而提高了安全性。此外，化学动力飞船要重得多，且发射成本也更为昂贵。核反应堆也需提供够执行三年探测任务的充足动力。但是，核反应堆性质复杂，所以在执行任务过程中更有可能发生一些潜在危险。作为领导先进概念研究所反物质飞船研究的科学家，史密斯博士 说：“正电子反应堆在能提供相同优势的前提下，运作起来也要相对简单。”
同时，核反应堆即使在燃料用尽后仍带有放射性。当飞船到达火星后，“火星意义任务”的计划是指引反应堆进入百万年都不会与地球相遇的一条轨道，那时，残留辐射将降低至安全水平。相反，据反物质飞船设计小组介绍，正电子反应堆在燃料用尽之后也不具有任何残留辐射，因而，即便是废弃的正电子反应堆意外落到地球，人们也不必担心存在安全隐患。
同样，正电子动力飞船的发射也更为安全。倘若携带核反应堆的火箭发生爆炸，它将向大气层中释放大量放射性粒子。史密斯博士说：“我们的正电子动力飞船即便爆炸，只会释放一道伽马射线光，但伽马射线会在瞬间消失，不会有任何放射性颗粒随风漂移。而那道光也会限制在相对小的区域内，飞船周围约一公里的范围会是危险区。一枚普通的大型化学火箭爆炸后会形成一个火球，其危险区域同样也是一公里左右。”0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;'>
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正电子动力飞船的另一个显著优点是速度。“火星意义任务”飞船到达火星将需要180天左右。正电子研究公司工程师科比·迈耶说：“诸如气核和烧蚀发动机等先进设计将令飞船在90天、甚至45天内将宇航员送上火星。”先进的烧蚀发动机通过热行(运转用热)实现上述目标，这种推进方式可增加发动机功效或“比冲量”(Isp)，比冲量是指火箭发动机单位质量推进剂所产生的冲量：比冲量越高，飞船在耗尽燃料前行进的速度越快。像美宇航局航天飞机主发动机等最为先进的化学燃料火箭发动机，每磅燃料能产生一磅推动力，持续450秒。核反应堆或正电子反应堆的这一数据则会达到900秒。烧蚀发动机通过自身缓慢蒸发产生推力，其比冲量更高。
仍然面临巨大的技术挑战
科学家成功研制正电子动力飞船所面临的第一个技术挑战是，制造正电子的成本过高。由于会对正常物质产生令人难以想象的影响，反物质数量并不多。在太空，反物质是由称为宇宙射线的高速粒子碰撞所产生的。而在地球上，反物质则是在高能粒子对撞机中生成的，这种机器能将原子碾碎。高能粒子对撞机通常用于发现宇宙基本运作方式，但它们也可用作“反物质加工厂”。史密斯博士说：“据粗略估计，利用目前正在开发的技术生产10毫克用于载人火星探测任务的正电子，大约需要投入2.5亿美元。”0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;'>
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上述成本似乎看上去比较高昂，但我们必须考虑到发射一枚更重的化学火箭所花费的额外成本(目前火箭发射成本为每磅1万美元)以及为核反应堆提供燃料及维护其安全的成本。史密斯博士说：“鉴于发展核技术所取得的经验，我们估计通过更多研究，正电子生产成本完全可以降下来，这种估计合情合理。”
科学家面临的另一挑战是如何在狭小的空间里储存足够多的正电子。因为正电子能湮灭普通物质，科学家不能将它们存放在瓶中。相反，它们必须借助电场和磁场加以保存。史密斯博士说：“我们确信，随着研发项目的不断深入，这些挑战将会一一被克服。”如果一切如愿的话，我们也许会看到，首批登上火星宇航员所乘飞船的燃料与科幻小说中为星际飞船周游太空所用的燃料相同。
名词解释：什么是反物质
反物质就是由反粒子组成的物质。所有的粒子都有反粒子，这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数与之相反。0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;'>
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例如，氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的电子和一个带负电的反质子构成。物质和反物质相遇后会湮灭，释放出大量能量。
科学家认为，制造出大量反氢原子，有助于验证CPT守恒假设的正确性和宇宙标准模型的普适性。如果发现反氢原子与氢原子在物理规律上并不完全对等，将给物理学和宇宙学的一些基础问题带来非常重要的新启发。例如宇宙大爆炸理论认为，宇宙诞生时，从虚无中产生了相等数量的物质和反物质。但人们观察到的宇宙中，物质显然占绝对的主导地位。对反氢原子的研究，可能有助于解开这个疑点。0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;'>
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美国宇航局正电子飞船概念图
美国宇航局正在开发的正电子发动机艺术概念图
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我国古代的太极图似乎暗示了反物质的存在,但它究竟存在不存在呢?
中国古代的"太极"图案,象征阴阳,代表正反
反物质：一个奇异的话题
2002年6月31日，一个科学界关注的日子。东南大学与诺
从哲学角度来讲，这个问题很容易回答。我国古代的太极图似乎也暗示了它的存在，部分天文学家也认为有存在的可能，但
目前，由丁肇中主持的这项研究已有16个国家的科学家参与其中，投入的资金更是高达1000多亿美元。许多科学家表示：只要能发现宇宙反物质的存在，那么这将是当之无愧的诺贝尔奖。该探测器将于2005年发射升空并永久停留在太空，东南大学还将建立一个数据接收分析中心和培训中心作为配套项目。丁肇中认为，如果反物质确实存在，当正物质与反物质碰撞时可以产生巨大的能量。他现在所主持的“寻找宇宙中的暗物质和反物质”的研究已进行多年，目前已取得一些重要成果。“但是，从这一领域发展的历史来看，人们要有思想准备，也许我们会发现意想不到的东西，与原先想研究的东西毫无关系。”丁肇中很慎重地表示。
从拉普拉斯大预言谈起
天体有巨大的引力，在巨大的引力作用下，会发生各类反应，并发光发热。物极必反，拉普拉斯（P?S?Laplace）曾经大胆预言：宇宙中最大的天体有可能是看不见的。当引力随质量增大时，天体会变成一个一无所有的区域，既不发热，也不发光，现在我们称之为“黑洞”（Black Hole）。因此宇宙更多的是由不可见的暗物质或反物质组成，我们肉眼和天文仪器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙结构，这些物质只占宇宙总体的10％，90％的物质是以暗物质或其他结构形式存在。显而易见，对可见物质的巨大引力的存在表明了暗物质或反物质的存在。可是我们用光无法探测到，用红外线、紫外线和X光都无法探觅到它们的足迹。
同样的，对应着现存的星系结构体系，有由相反的反宇宙结构体系存在吗？其实早在1898年，一位英国物理学家就提出：与物质存在一样，有一个镜像对应的反物质存在。受当时科学水平和试验条件的限制，这个反物质概念没有一点事实依据，因此在宇宙深处存在由反物质组成的宇宙恒星云只能属于纯粹意义上的假说。
1997年科学家宣布发现了“银心反物质喷泉”极大地震撼了整个物理学界，使科学家们寻找反物质的热情一下子高涨起来。
1998年6月3日，由丁肇中教授发起的带有全球意义的寻找宇宙反物质事件，使得这一领域一度成为全球科学家最为关注的焦点。
制造反物质
1928年，英国年轻的物理学家，诺贝尔奖获得者狄拉克（P?A?M?Dirac）首次预言存在反粒子。1932年，美国科学家卡尔?安德孙（C?D?Anderson）等在云雾室里研究宇宙现象过程中发现了反电子，并将其正式命名为“正电子”，狄拉克的预言得到科学实验的证实。
狄拉克还预言了
有反粒子必然有反物质，但制造反物质并非易事。事实上，直到1996年初，人类才在日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）首次成功制造一种反物质---9个反氢原子。事隔一年，美国费米(Fermi)加速实验室也成功制造了7个反氢原子……高能物理的发现激励着更多的科学家从事这项重要的基础研究。
目前科学家们制造的反物质虽然不是很多，存在时间还不到400亿分之一秒，但是科学家们已经见到了曙光。如果反氢原子是氢原子的镜像的话，宇宙中就有可能存在反物质天体，虽然它的光谱和普通星系的光谱一样，令我们无法区分它们。自然地，茫茫宇海成为科学家寻找反物质的理想场所。
奇妙的反物质世界
CERN的反质子收集器（AC）和反质子存储器（AA）装置
爱因斯坦早年可能也意识到了反物质的存在，从他的研究中我们会发现一些蛛丝马迹。他曾建立了一个物质总能公式：E=√C2P2±M2C2
根据这个公式推算，物质的总能量有正负两个值，这意味着，世界上存在负物质。我们更关心的是，有反物质世界存在吗?这不禁会使人
1943年12月，美国海军在费城进行了一项秘密实验(The Philadelphia Experiment)，试验成功地将以艘驱逐舰及全体船员投入到另一空间。在实验过程中，实验人员启动脉冲和非脉冲器，使船只周围形成了一个巨大的磁场。随后整条船被强磁场所产生的绿色烟雾包围着，船只和船员也开始从人们的视线中消失。军方在停止实验后，却惊奇地发现他们的驱逐舰在眨眼之间已经驶到了远在470公里开外的诺福克（Norfolk）码头。这个实验令很多科学家目瞪口呆。相传，此后一些船员身上仍留有实验的反应，不论在家里，在街上，在酒吧间或饭店里，都会突然地消失又重现，让旁观者惊讶不已。
参与这项实验的吉索普（Morris K?Jessup）博士认为，强烈的磁云能够重新排列人类和物质的分子结构，使其进入另外的时空。
费城实验的进行在科学上具有深远的意义，它不仅证实了自然界中的确有另外的空间存在，同时也表明了将人类及装备暂时投入另一空间的可行性。
可是要是我们找到了反物质世界，并且走了进去，那才真正发现一个奇妙的世界呢。所有的物理定律都要翻个个儿，正如科幻小说家描写的那样，在反物质世界里，力的作用恰好相反，你如想扣起反物质物体，就得把物体向下按；反物质做成的钉子，先要对准墙向外拔它，它才会钻进墙里。我们的基础理论仿佛在一夜间就变了个样，谁也不敢想像在这样的世界里究竟会发生什么或者正在发生什么。
反物质引发的大爆炸
银河系中央，物质与反物质湮灭时产生的γ射线爆,康普顿卫星1997年摄。
通古斯大爆炸是反物质引起的吗?
由于反物质与物质是水火不相容的，一旦它们相遇，两者便很快消失，同时释放出巨大的能量和比普通可见光强约25万倍的伽玛射线。这就为那些研究地球上神秘大爆炸的西方科学家找到了借口。
1908年6月30日凌晨7时17分，在西伯利亚通古斯发生了一起相当于数百颗原子弹当量的爆炸，其规模之壮观使得远在伦敦的人连续两个晚上能够看到北部天空所呈现的红色，尽管科学家分别在1921年、1927年和1929年对该地区进行了多学科的联合考察，但令人失望的是，该地区没有发现任何陨石和其它坠落体的残片。
1979年9月22日，美国的军用卫星“贝拉号”在非洲西南
最近的一次发生在1984年4月29日夜间，荷兰航空公司的868班机在22时30分，日本航空公司第36次航班在23时15分左右，都在途中发现了神秘的蘑菇云，并且还伴随着强烈的白光。同一条航线上另外两架航班也目睹了这神秘的一幕。可是卫星云图则说明天气情况良好。更不可思议的是，调查表明爆炸空域受到了明显的放射污染。
所有这一切，一些科学家都把它归结为反物质爆炸，在未找到宇宙反物质之前，谁也无法找到反驳他们的理由。
黑洞与反物质通
根据广义相对论引力场方程推出：宇宙中的黑洞是连接两个分离时空区的隧道，假如反物质世界处于另一时空，那么黑洞就可能是反物质世界的通道。但对于黑洞内部我们仍然一无所知，确切地说，黑洞内部就是一个反物质世界，而远非“黑洞无毛理论”(No Hair Theorem)所说的那么简单。
有人把反物质世界和物质世界关系用一张纸条来加以证明。取一张小纸条，完好地把两头粘连起来，试想，如果有一只蚂蚁在外表爬行，它怎样才能进入另一面呢?有两个办法：一是爬过纸带边缘；一是在纸带上打个洞。可是如果我们把纸带的一头旋转180°再粘连上，纸带的两面就变成了一面，蚂蚁只要在纸带上爬行就可以随意地出入纸带内外。如果宇宙是一个整体，我们只要进入黑洞，就可以进入反物质世界。可是至今，我们还从未听人说起曾到黑洞旅游过。