歐洲核子中心在反物質(zhì)研究領(lǐng)域邁出重要一步，引起世界關(guān)注。這里的科學(xué)家上個(gè)月成功地將反氫原子“抓住”長(zhǎng)達(dá)1000秒的時(shí)間,打破了迄今為止反物質(zhì)留存時(shí)間的最長(zhǎng)紀(jì)錄。如此長(zhǎng)的時(shí)間足夠科學(xué)家對(duì)之進(jìn)行分析并進(jìn)一步研究其相關(guān)屬性，進(jìn)而探索宇宙起源和檢驗(yàn)宇宙大爆炸理論。

    核子中心總主任羅爾夫·霍伊爾幾天前又透露，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的一份重要研究報(bào)告將于今年底或明年初公布于眾。據(jù)悉，這一報(bào)告主要包括反物質(zhì)和基本粒子兩個(gè)研究領(lǐng)域。該消息再次激發(fā)外界強(qiáng)烈關(guān)注。

    反物質(zhì)研究正在不斷取得突破性進(jìn)展，但是公眾對(duì)反物質(zhì)的認(rèn)識(shí)卻仍然很有限、甚至由于道聽(tīng)途說(shuō)而對(duì)反物質(zhì)研究產(chǎn)生恐慌心理——針對(duì)這種反差，目前正在該中心參加試驗(yàn)值班的北京大學(xué)錢(qián)思進(jìn)教授和來(lái)此實(shí)習(xí)的臺(tái)灣中央大學(xué)葛道寧博士接受了本報(bào)記者采訪。他們從宇宙起源理論開(kāi)始詳細(xì)講述了反物質(zhì)的制造過(guò)程及其諸多屬性。

    宇宙的來(lái)龍去脈

    當(dāng)前對(duì)宇宙起源比較集中的解釋是宇宙大爆炸理論。該理論認(rèn)為，宇宙是在137億年前由一團(tuán)熾熱的能量發(fā)生大爆炸而膨脹形成，大爆炸應(yīng)該形成等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。后來(lái)，日本和美國(guó)學(xué)者又提出了“對(duì)稱(chēng)破缺理論”并獲得了2008年諾貝爾物理獎(jiǎng)，該理論認(rèn)為大爆炸后的正、反物質(zhì)之間不是等量的，存在非常小（一百億分之一）的差別，現(xiàn)實(shí)的宇宙就是由正、反物質(zhì)湮滅之后剩余的那一百億分之一的正物質(zhì)構(gòu)成的。

    另外，美國(guó)天文學(xué)家哈勃于1929年提出了星系紅移量與星系間距離成正比的“哈勃定律”，并推出星系互相遠(yuǎn)離的宇宙膨脹說(shuō)。錢(qián)教授表示，該理論沒(méi)有表述大爆炸前的宇宙形態(tài)和來(lái)源，僅指出目前各星系仍處在宇宙大爆炸后的向外擴(kuò)散過(guò)程，但沒(méi)有預(yù)見(jiàn)這一膨脹何時(shí)才停止。對(duì)此，葛博士認(rèn)為，按照這一理論，在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，膨脹導(dǎo)致宇宙越來(lái)越冷；但當(dāng)膨脹停止后，按照物體相互吸引的原理，此時(shí)宇宙各星系之間又會(huì)開(kāi)始收縮，直到相碰發(fā)生新的宇宙大爆炸；周而復(fù)始的類(lèi)似循環(huán)不斷誕生新宇宙。他提醒說(shuō)，人類(lèi)對(duì)此絲毫不用操心，因?yàn)檫@是非常遙遠(yuǎn)的事情。

    歐洲核子中心的資料顯示，在人類(lèi)未知的96%的宇宙物質(zhì)和能量的總量中，有73%是由一種新形式的能量——“暗能量”所組成，而剩下23%的部分則是“暗物質(zhì)”；與正常物質(zhì)不同，“暗物質(zhì)”憑借普通技術(shù)手段無(wú)法觀測(cè)。今年5月美籍華人科學(xué)家丁肇中借助美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)把太空粒子探測(cè)器——“阿爾法磁譜儀”運(yùn)送到國(guó)際空間站，用以觀測(cè)太空粒子，研究宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)。

    宇宙大爆炸理論催生了人類(lèi)對(duì)反物質(zhì)的研究，歐洲核子中心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造也進(jìn)一步激發(fā)了人類(lèi)對(duì)反物質(zhì)的關(guān)注。反物質(zhì)概念最早由英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克在上個(gè)世紀(jì)30年代提出，他預(yù)言每一種粒子都應(yīng)該有一個(gè)與之相對(duì)的反粒子，如反電子（即帶正電的電子），其質(zhì)量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反；反質(zhì)子、反中子也類(lèi)似?？茖W(xué)界曾把諸如電子、質(zhì)子、中子等通稱(chēng)為基本粒子（即組成萬(wàn)物的最小粒子）；但20世紀(jì)60年代后，實(shí)驗(yàn)上已證實(shí)質(zhì)子和中子已不是最小粒子。目前，基本粒子有12個(gè)，分為夸克和輕子2類(lèi),每一類(lèi)分別擁有6種形式并有不同的具體名稱(chēng)。

    基本粒子是構(gòu)成世間萬(wàn)物的最小單元，如動(dòng)植物都是由細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞由分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子由夸克構(gòu)成。因此，夸克和輕子（其中包括電子）是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)中能檢測(cè)到的最小、不可再分的單元，故稱(chēng)它們?yōu)?#8220;基本粒子”。

    如何制造反物質(zhì)

    高中化學(xué)課會(huì)經(jīng)常提到“元素周期表”，氫是其中最輕最簡(jiǎn)單的元素，也就是一個(gè)負(fù)電電子圍著一個(gè)正電質(zhì)子旋轉(zhuǎn)。錢(qián)教授表示，科學(xué)家從最簡(jiǎn)單的氫原子入手研究反物質(zhì)，是因?yàn)樗话?個(gè)粒子。    

    該中心的科學(xué)家利用“質(zhì)子分離器”從氫元素中剝離電子而取得作為氫核的質(zhì)子，上億個(gè)這樣的質(zhì)子收集在一起就形成了“質(zhì)子包”,然后再分批將這些“質(zhì)子包”發(fā)送到加速器的束流管中，成百上千個(gè)“質(zhì)子包”構(gòu)成的“質(zhì)子束”通過(guò)多級(jí)加速才能達(dá)到最終碰撞 的運(yùn)行速度。

    在大型加速器系統(tǒng)里，一束非常接近光速運(yùn)行的“質(zhì)子束”撞擊一個(gè)固定靶（研究反物質(zhì)使用的是固定靶運(yùn)行模式。此方法類(lèi)似于“用消防水槍射擊墻壁”且隨后會(huì)形成四濺的水花和被沖刷下來(lái)的墻壁雜質(zhì)；但不同的是，“固定靶運(yùn)行模式”可以產(chǎn)生撞擊前不存在的新粒子），會(huì)與靶中的粒子相撞產(chǎn)生許多快速散開(kāi)的“碎片”（即次級(jí)粒子），這些“碎片”中包括一些碰撞前不存在的粒子，它們是由高能束流中的能量在碰撞時(shí)轉(zhuǎn)化成質(zhì)量而形成的。按照愛(ài)因斯坦“能量與質(zhì)量相互轉(zhuǎn)化”的原理，科研人員利用此方法產(chǎn)生了碰撞前不存在的“帶負(fù)電的質(zhì)子”（反質(zhì)子），但它們飛行速度很快，所以要再通過(guò)減速器讓“反質(zhì)子”靜止下來(lái)，再將“反質(zhì)子”與用其他方法獲得的“帶正電的電子”（即反電子）相融合，最終形成了“反氫原子”。

    但問(wèn)題是，“反氫原子”不能接觸正物質(zhì)的世界，否則會(huì)迅速與正常物質(zhì)中原子相遇并形成能量（輻射或亮光）。這與“酸堿物質(zhì)相遇會(huì)發(fā)生中和反應(yīng)”有些類(lèi)似；因此，“反氫原子”必須相對(duì)靜止地被保存在真空容器中，而且不能碰到試驗(yàn)設(shè)備，科學(xué)家們要借助磁力或其他方法把制造出來(lái)的“反氫原子”穩(wěn)定住或抓住。

    錢(qián)教授稱(chēng)，制造“反氫原子”難度大，因?yàn)橐诿看闻鲎伯a(chǎn)生的成千上萬(wàn)個(gè)“碎片”中“揀到”“反質(zhì)子”，然后通過(guò)減速器放慢它們的運(yùn)行速度，以利于最后融合產(chǎn)生“反氫原子”；而保存“反氫原子”的難度更大，因?yàn)樽匀唤缛烧镔|(zhì)組成，反氫原子極易與正物質(zhì)發(fā)生上述比喻的“中和反應(yīng)”。

    60多年前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子和反中子，16年前歐洲核子中心的科學(xué)家曾在世界上首次制造出微量反氫原子，但無(wú)法保存。該中心去年11月使38個(gè)反氫原子停留了0.17秒，而上月的試驗(yàn)又使數(shù)百個(gè)反氫原子停留了1千秒，約16分鐘。錢(qián)教授表示，這為人類(lèi)研究反物質(zhì)提供了現(xiàn)實(shí)可行性。據(jù)悉，今年5月中國(guó)科學(xué)家參與的國(guó)際合作組在美國(guó)重離子對(duì)撞機(jī)上的實(shí)驗(yàn)中也探測(cè)到非常稀有的氦的反物質(zhì)原子（即反氦4）。

    反物質(zhì)并不具現(xiàn)實(shí)威脅

    反物質(zhì)的出現(xiàn)引起社會(huì)關(guān)注與好奇。美國(guó)作家丹·布朗的暢銷(xiāo)小說(shuō)《達(dá)·芬奇密碼》的姊妹篇《天使與魔鬼》中就虛構(gòu)了反物質(zhì)炸彈，作品描述“0.25克反物質(zhì)炸彈足以將梵蒂岡從地球上抹去”；美國(guó)科幻片《星際迷航》把反物質(zhì)用于星際飛船燃料。對(duì)此，錢(qián)教授稱(chēng)，經(jīng)初步估算，1千克反物質(zhì)的能量接近世界上最大氫彈的威力。

    但是，反物質(zhì)目前還遠(yuǎn)不具備現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可能，也還遠(yuǎn)沒(méi)有現(xiàn)實(shí)危險(xiǎn)性。錢(qián)教授說(shuō)，全球科學(xué)家?jiàn)^斗了十幾年，至今僅制造出最多10的負(fù)17次方克的反氫原子；估計(jì)即使再努力數(shù)億年，也只能造出不多于1毫克的反氫物質(zhì)。 

    歐洲核子中心建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的項(xiàng)目曾一度引起周?chē)用竦目只?，關(guān)于“射線”的危害和“黑洞”、“反物質(zhì)世界”的傳說(shuō)很多，比如，高能粒子對(duì)撞產(chǎn)生的“黑洞”會(huì)“吞噬”現(xiàn)實(shí)世界、大到猶如地球體積的“反物質(zhì)”會(huì)與地球一同“湮滅”等等。錢(qián)教授解釋說(shuō)，這些擔(dān)憂(yōu)完全沒(méi)有必要。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)達(dá)到的束流能量，是日常宇宙射線“轟擊”到地球的一些粒子能量的千萬(wàn)分之一，地球經(jīng)受了幾十億年的類(lèi)似“考驗(yàn)”；而“微觀黑洞”只是一個(gè)理論假說(shuō)，即使存在，它的特性也與星系間的大尺度“宏觀黑洞”截然不同，“微觀黑洞”的體積比質(zhì)子還小，且壽命極短，轉(zhuǎn)瞬即逝，不會(huì)給現(xiàn)實(shí)世界留下任何影響和痕跡。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)自去年3月成功實(shí)現(xiàn)高能質(zhì)子對(duì)撞且連續(xù)運(yùn)行至今，沒(méi)有出現(xiàn)任何值得擔(dān)憂(yōu)的危險(xiǎn)跡象。

    鏈接

    歐洲核子中心創(chuàng)建于57年前，擁有2000多名工作人員，吸引了來(lái)自85個(gè)國(guó)家和地區(qū)580多個(gè)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的上萬(wàn)名訪問(wèn)學(xué)者來(lái)此從事科學(xué)研究，約為全球一半數(shù)量的粒子物理學(xué)家。作為非成員國(guó)，中國(guó)一直與該中心保持著良好的合作關(guān)系。多年來(lái)，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院高能物理所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、華中師范大學(xué)、華中理工大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院等單位的數(shù)十人在此參與了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上多個(gè)大實(shí)驗(yàn)的科研合作。

    （本報(bào)駐日內(nèi)瓦記者  宋  斌）