假如說，地球之外還存在地球的完美鏡像實體―――反地球，在這個反地球上，很可能存在著反海洋、反河流、反山川，乃至反植物、反動物……你會怎么想？  依此類推，假如星球之外還存在著反星球；星系之外，還存在著反星系；宇宙之外，還存在著反宇宙……你會怎么想？ 根據宇宙大爆炸理論，宇宙是大約140億年到150億年前，從無到有，在一次劇烈的大爆炸后誕生的。按照量子力學的質能守衡定律，宇宙誕生之始，既然產生了物質，勢必應該產生等量的反物質。當時，粒子和反粒子、物質與反物質，應該基本等量存在。而只要存在反粒子，就應該理所當然地組成反原子、反分子，再組成反物質，進而積聚成反星球、反星系和反宇宙。然而，科學家還從未在莫大的宇宙空間探尋到反星球、反星系，甚至連自然狀態的反物質也沒探測到。但若宇宙不存在反物質世界，在理論上又很難解釋。 那么，為何我們所在的世界是由物質構成？反物質到底去了哪里？是否有反物質世界存在？如果存在，又會是什么模樣？ 長期以來，科學家一直試圖解開這些謎底，尋找“丟失的”反物質世界。 說到此處，不能不回溯一下反物質研究艱苦而又漫長的歷程。 找到另一個“自己” 反物質的概念是著名理論物理學家、曾任英國劍橋大學教授的保羅?狄拉克在研究相對論和量子理論時提出的。1928年，他依據愛因斯坦的著名質能換算方程式 E＝mc2,及泡利的不相容原理，建立了著名的狄拉克方程，當時他才26歲。即使5年后，他因創立電動量子力學獲1933年的諾貝爾物理獎時，也才31歲。 狄拉克認為，上述方程式中的 m應該有正負兩種形式。假若 m為負值，就會出現性質與普通粒子相同，但電性截然相反的粒子―――即反粒子，由此預言了正電子和其他反粒子的存在。推導出一種前所未有的物理特性―――“負能現象”。 為了詮釋自己這個驚世駭俗的大膽預言，狄拉克在1931年進一步提出了反粒子理論，以解釋“負能現象”。他認為，反粒子是粒子的完美鏡像，如同你在鏡中見到分毫不差的自己，唯一的不同是電性相反。而且，既然存在反粒子，就應該構成反原子，近而構成反物質。他相信存在一個由“反物質”構成的“宇宙”。 這個大膽預言引起科學家的極大興趣。倘若果真如此，那將是個多么五彩繽紛的有趣世界！ 四年后，狄拉克的大膽推測得到證實。1932年，27歲的美國物理學家卡爾? D?安德森在研究宇宙射線時，意外發現一種陌生粒子，其質量和帶電量與帶負電的普通電子一模一樣，只是它帶的是正電，因此被稱為正電子。它，就是電子的反粒子。它不僅證明了狄拉克的光輝預言，而且從此打開了人類探索反物質世界的大門，也使人們開始認識到，反粒子理論確實是物理學的又一個里程碑。安德森因此獲得1936年的諾貝爾物理獎，當時，他也只有31歲。 安德森的發現立刻引起巨大轟動，激勵了科學家探索反物質世界的決心。他們極想知道，這是偶然現象，還是必然規律？如果放之四海而皆準，那么，其他粒子是否都存在反粒子。 功夫不負有心人，經過20多年的努力，美國伯克利大學的物理學家塞格雷和張伯倫終于在1955年利用高能質子同步加速器制造出了第一個反質子，它的質量和核質比與普通質子不差分毫，只是所帶電荷的電性正好相反。1956年，美國洛侖茲輻射實驗室的柯克等人利用質子和反質子的非碰撞反應發現了反中子，不久，科學家相繼找到了介子、超子、夸克等多種基本粒子和相對應的反粒子―――反介子、反超子、反夸克…… 人類社會進入20世紀60年代以來，科學家已把基本粒子中的反粒子大部分“捉拿歸案”。到現在，科學家已經找全了所有的反粒子，用有力的事實證明―――所有的粒子都有一個與自己長得一模一樣，但電性相反的另一個“自己”―――反粒子，它們一起構成了一個反粒子大家族。 找不到的人工來制造 逮住反粒子只是反物質研究的初步勝利，甚至可以說只是萬里長征邁開的第一步。接下來，科學家開始對反粒子進行深入研究，逐步探索和形成反物質理論；著手利用反粒子制造反物質；構思反物質世界的基本特征；猜測反物質與人類所處世界有何不同；探尋反物質有什么應用價值；并試圖用反物質理論解讀許多未知、未解的宇宙之謎……。 但反物質在人類所在的自然界里幾乎找不到。因為，反物質只要一露面，就會與同等數量的物質在相遇的瞬間立即湮滅。科學家目前只在宇宙射線中偶爾，而且是間接地通過測定伽馬射線的能量變化發現過反物質的蹤跡。于是，科學家開始設法在實驗室里利用反粒子制造反物質。第一個制造的對象，是結構最簡單，只有一個電子和一個質子，質量也最輕的氫原子的鏡像物質―――反氫原子。 1995年，這一研究初戰告捷。以研究反物質著稱于世的歐洲核子研究中心（ C ERN）于1996年1月4日宣布，該中心一個由德國、意大利和瑞士科學家組成的科研小組于1995年9月到10月率先在世界上人工制造出了第一批反物質―――反氫原子，成為當時轟動全球的科技成就。雖然在累計15個實驗小時內，科學家在“低能反質子環”中只檢測到區區9個反氫原子，而且它們在湮滅之前只存在了30納秒（一納秒等于一億分之三秒），卻邁出了人工制造反物質的第一步，揭開了人類研制反物質的新篇章，這一突破使人類終于在反物質元素周期表上寫下了第一個元素―――反氫。 美國費米國家實驗室緊隨其后，在1996年11月22日宣布，他們用對撞機也成功地制造出了7個反氫原子。 但這些轉瞬即逝的反氫原子，很快就在與物質的碰撞過程中湮滅掉，因而存在時間特別短，短得讓科學家甚至很難斷定它們是否真的存在，更別提好好看看，仔細探究這些忒難尋覓的高貴客人的內部結構。于是科學家著手改進實驗裝置，以便既能制造出更多的反氫原子，又能逮住它們，把它們禁錮在人為的“牢獄”―――真空狀的粒子陷阱中。 2000年8月，世界首家“反物質工廠”―――歐洲核子中心的質子減速器建成并投入使用。它利用磁場來約束反質子，把高能反質子減速成速度約為光速十分之一的反質子，這樣，科學家就能夠對其進行觀測、實驗和研究了。 |
