反物质：奇怪的世界

1、反物质：奇怪的世界1996年，欧洲核子研究所（CERN）制造出9颗反氢原子，成为轰动全球的 科技大新闻，这使人联想到，我们的宇宙是否存在反物质世界。反物质世界听起来很奇怪，其实不然，在亚原子粒子中，每个粒子皆有其反 粒子为伴，者的性质正好相反，如电子带一负电荷，反电子则带一正电荷（故乂称 正电子儿两者的旋转方向也相反，两者间的关系可谓古怪,它们一旦相碰即行消 失（称湮灭），而化成一阵Y射线暴。若宇宙中始终存在反粒子，那么它们势必 会组成反原子，既而积聚成反星球、反星系，就如粒子所经历的那个过程。可是 在我们居住的宁宙小小角落里，却从来没有人探测到反星球、反星系。直接观测 反星体十分困难，因为原

2、子和反原子所辐射出的皆为光子，这样，即使你看到一 个反星球，可是其外貌跟一般星球并无二致。一个间接的办法是观测湮灭Y辐 射。若我们进旁（如银河系内）有反物质存在，山于星球会发生爆炸，其包藏物 质被拽入星际空间，成为周围星球相互交换的物质，这样，物质和反物质势必不 时发生碰撞，而产生湮灭信号。事实上，天文界一直未观测到这种信号。若宇宙 中不存在反物质世界，这在理论上乂很难解释。据现代宁宙学，在大爆炸创生之 初，产生了等量的物质和反物质；另一方面据量子论，真空空间中不时地暴岀粒 子对（如电子和反电子），在一个瞬间后乂隐没于虚空。所有这些都向我们暗示, 宇宙中应有反物质世界的位置，这个问题一直困惑着

3、物理学家。60年代，前苏联著名物理学家萨哈罗夫，对此作了解释：这缘于物 理定律中有微小的不对称，或称CF不守恒（也即电荷、宁称不守恒，这两者皆 为量子特性）。在大爆炸后的最初瞬间，今日所见的各种基本粒子，皆融为一体, 称x粒子，它极重，约为铝原子核的1万亿倍。随着宇宙的冷却，x粒子开始 衰变，曲于上述不守恒，最终变成的粒子和反粒子，形成了 10亿零1对10亿之 比。故当它们相互湮灭化成丫射线后，留下的仅是1个的粒子，我们今日的宇 宙也就是有它们所构成的，故我们见不到反物质世界。萨氏的这一理论，也解释了充满宇宙的微波背景辐射，它也正好是 10亿个光子对一个物质粒子。萨氏的理论为许多科学家所接受，

4、但也有一些科学家不以为然，丁肇 中就是一个。他们认为萨氏的理论很难证实，丁说，我们不能排除这种可能性， “例如，在大爆炸火球的某个区域中，物理定律中的这一不对称可能逆转，从而 有利于创生更多的反物质。”其结果是一个拼盘宇宙，在它的某些空域将填充着 反物质星系。丁承认没有人知道，这种（物理定律）不对称是怎样逆转的。同样地, “我们也并不清楚，从实验中所得知的不对称量，是否足以说明物质在宇宙中占 绝对地位。”坚信有反物质世界的科学家认为，这个反物质世界当然不会就在近 旁，它们至少不可能存在于本星系群之内，甚至在离我们3000万光年的距离内， 不会有它们的踪迹；还有一些人认为，在距我们1亿光年的跨度

5、内，不存在反物 质。据丁的看法，反物质可能统治着本星系群外的某些空域，它们是如此遥远， 以致其特征性湮灭信号十分微弱，难分真伪丁说：“宇宙包藏着约10亿个星系 团，要排放任何反星系是不可能的” oLI前在CERN工作的丁购士，是以寻找稀奇物质著称，1976年，他因 发现J/Psi粒子而获诺贝尔物理奖。这一次他更是雄心勃勃，以寻找反物质世界 为己任。他在儿年前，跟一些物理学家筹组了反物质世界探测小组。他的同时艾 伦十分佩服丁的勇气，“丁伟大之处，在于他从一般原则出发去考虑问题：是否 有令人信服的论据来说明为什么没有反物质？没有有足够灵敬的仪器去寻找过 反物质？没有那么你就去寻找吧丁的准则是：“我

6、们所从事的就是探索未知，作为一个实验工作者， 去探测未知事物，责无旁贷。”这位华裔美国科学家，1936年岀生于美国密歇根 州，不久即返回中国故乡，一呆就是20年，然后去美国接受高等教育。他深知 中国的一句格言：“工欲善其事，必先利其器。”他被同行誉之为搞“大科学” 的行家里手，在他的牵头下聚集了来自欧、美.中国100科学家，研制了反物质 频谱仪，以供丁的小组进行这场大战之用。这一巨举却资金不足，需要2000万美元，美宇航局负责把AMS装入 航天飞机上，作一次试探飞行以及以后把AHS送上空间站等飞行任务，约需1300 万美元；美能源部提供300万美元，别的需要丁的国际合作者资助。1994年4月，

7、丁来中国，访问了中科院电气工程研究所。丁说：“我 发现他们已用新型材料钺、硼、铁的合金，制造出非常精密的永久磁体他们 能够生产高质量、高磁场的磁体。我跟他们越交谈，就越使我相信，这是一条制 造能在太空工作的廉价磁体的好路子AMS是一个重2吨、1米高、1米直径 的圆柱形空心磁体，它山放、硼、铁合金构成，产生一个0. 15T的均匀磁场。磁 体内镶着叠成6层的一系列硅探测器，它们将把窜入仪器的带电粒子牢牢抓获， 不让它们跑出10微米之外，并记录它们的电荷量、质量和速度。丁是一位实验物理学家，他现在要做的实验，是对遥远星体的物质样 本进行检验，以辨其雌雄，岂不是开玩笑吗？他到何处去搞这种样品？不，实际

8、 上，它们不停地向我们送货上门，这就是宇宙线，那是由原子核和带电粒子组成 的射束，它们来自四面八方。它们大多来自太阳，其次来自我们银河系中的爆炸 星球的残体，但其中最高能的粒子来自银河系外的不明天体。所以丁要做的是宇 宙射线实验。探测宇宙线非丁的首创，半个多世纪之前，科学家就开始了对宁宙 线的研究。不过地面探测只能抓捕到所谓二次粒子，那是宇宙线跟地球大气中的 原子核发生碰撞后产生的粒子碎片，从它们身上只能揭示岀原始宇宙线的能量， 却已看不到它的本来面貌；以后利用气球进行高空探测，乂嫌时间太短，仅儿个 小时。丁说，如此短期的实验，只有在1万个宇宙线粒子中有1个反原子核的情 况下，才能捕捉到反物质

9、的踪迹。事实上，来自本星系群之外的宇宙线，这个比 例小到100亿对1。用这样的实验来排除反物质的存在，那是根本不可信的。而 今丁要做的是太空实验，就此而言，可说是首创。丁认为，AMS成功的可能性很 大，因为太空实验没有地面、高空（气球）探测所固有的缺点。AMS能把原始宇 宙线和大气碰撞之前即行抓获，从而能见到其庐山真面貌。另一方面它乂能常期 滞留在空间，作大量的筛选，故科学界对丁小组的探测寄予厚望。对丁小组来说，他们最大的希望是能发现反碳核，因为碳核或反碳核 只有恒星或反恒星才能产生。故能找到反碳核也就是反物质世界存在的确实信 号。丁若成功的话，也许将成为本世纪最大的科技新闻，著名科学界海森 伯格评价说，“若发现反物质，也许将是本世纪中物理学的所有大突破中最大的 一次同时也将带来一个大难题，诺贝尔奖得主温伯格说，“在最初的宇宙中, 物质和反物质创生于同一地方，我们必须问我们自己，它们为何不互相湮灭？宇宙学将因反物质的发现而被倾翻，我们将被迫重新考虑一切事物。”AMS除了探测反物质外，还有其他儿项科研项比其中颇受人关注的 是搜索暗物质，它的搜索U标是超对称粒子。若能成功，其意义也不亚于反物质。 丁小组口前正忙于做探测前的