【選讀】


    盡管反物質聽起來很奇特,但如果你遇到一塊反物質,它對物質來說也不會有什麽不同。即使是物質和反物質的單個原子也無法區分。隻有在原子內部,它們的真正性質才很明顯。


    在物質的原子內部——構成一切的物質——是圍繞中心核旋轉的電子。氫原子是最簡單的元素,由一個電子和一個質子構成的原子核組成。電子帶負電荷,而質子帶正電荷。相反的電荷相互吸引,使原子保持在一起。


    反氫原子是一樣的,但是電荷是相反的。中心帶負電荷的“反質子”抓住帶正電荷的“反電子”,也被稱為“正電子”。正極和負極的吸引力是一樣的,所以把原子變成分子的電磁力,也應該適用於反原子。


    當一個粒子遇到它的反粒子孿生兄弟時,它們會在一瞬間相互湮滅。這種毀滅不隻是科幻小說裏的情節。有些放射性物質會自然地釋放正電子。事實上,正電子湮滅已經在醫學診斷中使用了幾十年,其形式是在醫院中發現的pet(正電子發射斷層掃描)掃描儀。


    但是,當物理定律暗示大爆炸的能量應該同樣凝結成物質和反物質時,為什麽宇宙中有物質,而不是什麽都沒有呢?他們本應該互相消滅的。


    但是這個理論正確嗎?它在20世紀90年代通過在粒子加速器中湮滅電子和正電子進行了測試。它們以接近光速的速度加速,迎頭相撞。由此產生的能量閃光,在一個比單個原子核還小的區域內,類似於宇宙誕生後不久的情況。


    通過記錄這些“小爆炸”的結果,實驗證實了能量可以轉變為平衡粒子和反粒子。它強化了物質和反物質在完美平衡中出現的觀點。那麽缺失的反物質在哪裏呢?


    解決這個謎題需要研究反物質原子。如果正電子恰好被反質子的電場捕獲,就會有一個反氫原子。它沒有淨電荷,但它會對磁場做出反應。但是你如何保存一種物質,它能破壞它接觸到的任何東西呢?


    首先,你需要一個非常好的真空環境,這樣反物質就不會無意中撞到空氣中的遊離原子。然後你需要讓它遠離你的容器,因為這些也是由物質構成的。解決方案是一個“磁瓶”,利用電場和磁場來囚禁反物質。


    然而,要研究反氫原子,你首先需要製造和儲存大量的原子。目前的挑戰是讓正電子和反質子足夠靠近,使它們的電吸引力有機會捕獲它們,在它們被普通物質湮滅之前形成一個反氫原子。


    這已經在歐洲核子研究中心(cern)完成了,通過在一台名為ad(反質子減速器)的機器中減慢反質子的速度。然後電磁力和正電子把它們聚集在一起。自2009年以來,阿爾法已經有幾百次將原子捕獲在磁瓶中。


    2011年,歐洲核子研究中心(cern)的阿爾法實驗成功地製造出了反氫原子(相當於氫的反物質),並將其儲存了近17分鍾。第二年,科學家們改變了反原子的磁場方向,用微波照射它們。這表明,更詳細地測量它們的性質是可能的。


    2014年1月,歐洲核子研究中心(cern)的科學家創造了一束反氫原子,並在光束中發現了80個反物質原子。這離揭開反物質之謎又近了一步,因為要收集足夠的數據來回答重大問題,需要大量的反氫原子。


    科學家們將要研究的是原子光譜——一種類似條形碼的彩色線條圖案。反氫原子中正電子的行為被預測與氫原子中的電子完全相同,因此它們的原子“條形碼”應該是相同的。


    如果它們的原子“條形碼”有任何不同,我們就會發現物質和反物質之間的區別,盡管科學家們還得弄清楚這意味著什麽。當它們出現時,我們可能更接近於解開失蹤的反物質之謎,以及為什麽有東西而不是什麽都沒有的問題。


    到目前為止,歐洲核子研究中心的科學家已經成功地儲存了幾百個反物質原子。如果他們能做得更多,可能性是深遠的。僅僅一克反物質就可以用來驅動宇宙飛船飛向火星,或者製造出一顆相當於廣島原子彈的炸彈。


    然而,科學可能會阻止這種應用。用目前的技術,生產一克需要100億年的時間,10億個瓶子來儲存它,至少需要你回收的能量。或許,如果安全儲存少量反物質,世界會變得更好。

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