反物质，你不知道的七件事

1.人类创造的反物质数量极少

物质与反物质湮灭，能够释放数量惊人的能量，比如，1克反物质产生的能量，可以与原子弹爆炸的威力相媲美，因而它是有着巨大潜力的新能源。然而，迄今为止，人类只创造出了极少量的反物质。

比如，在美国最大的高能物理研究实验室——费米实验室，这里拥有目前世界上能量输出最高的粒子加速器，也就是著名的Tevatron质子/反质子加速器，它能将质子加速到接近光速。迄今为止，这个加速器创造出的所有反质子加起来只有不到15毫微克（1毫微克=10^-9克）。而世界上最大的粒子物理研究中心——欧洲粒子物理研究所创造出的所有反物质只有1毫微克。在德国汉堡的德国电子同步加速器，至今大约只有2毫微克的正电子被生产出来……如果人类历史上所有生产出来的反物质全部湮灭，产生的能量甚至不足以煮开一杯茶水。

究其原因，问题主要是出在反物质的生产和存储的成本，还有生产的效率上。生产1克反物质将需要2500万亿千瓦时的能量和超过1千万亿美元的成本，由此我们不难想象，人造反物质到底会有多么珍稀。

2.有种东西叫做反物质陷阱

为了研究反物质，首先你需要很好地储存它，防止它湮灭。现在科学家们已经发明了存储它的方法。

带电的反物质粒子，比如正电子或者反质子，它们全都可以被一种叫做“彭宁陷阱”的装置存储起来。彭宁陷阱犹如一种微型的粒子加速器，在其内部，反物质粒子沿环形管道不停地做旋转运动，同时磁场和电场将它们囚禁在真空中，使之免于碰到装置的“墙壁”而湮灭。

但是，彭宁陷阱无法囚禁中性反物质粒子，比如反氢原子。因为反氢原子没有电荷，无法被电场限制起来，因此彭宁陷阱无法发挥作用。不过科学家们找到了另外一种陷阱——“约费陷阱”，它可以创造一种沿任意方向磁场都会增大的空间。粒子会被困在约费陷阱中磁场最弱的那一点，就好像珠子只能在碗的底部滚来滚去一样。

地球的磁场同样也可以充当一种反物质陷阱。科学家们已经在地球周围的空间探测到了一种反物质——反质子粒子构成的狭长条带，它被夹在地球的范艾伦辐射带两个层面之间。范艾伦辐射带是环绕地球的高能粒子辐射带。当高能宇宙射线击碎了地球上层大气中的分子时，会形成大量的自由粒子，这些自由粒子和击碎它们的宇宙射线粒子一道，最后都会被范艾伦辐射带俘获，形成像甜甜圈一般的辐射区。

科学家们通过卫星发现，在所谓的“南大西洋辐射异常区”（位于南美洲东侧南大西洋，这里的辐射强度只有正常辐射区的一半）的上空，卫星能够探测到浓度很高的反质子粒子聚集区。这些反质子粒子像宇宙射线粒子一样被困在了地球磁场中，在距离地面一定高度的高空，空气密度已经非常稀薄，那里的反物质粒子与正常粒子湮灭的损失会比较小，从而可以在范艾伦辐射带中出现一个反物质带。

3.反物质可能会往上“掉”

反物质粒子和物质粒子拥有相同的质量和截然相反的电荷、自旋属性。按照标准模型的预言，重力对于物质和反物质的影响应该是相同的，然而，实际情况是否如此还有待观察。一些科学家就提出了不同的观点：反物质可能会抵制引力，换句话说，它们可能会往上“落”。

观察重力对反物质的影响并不像看到一颗苹果从树上落下那般容易。这些实验需要把反物质控制在陷阱中，还要通过降温（温度降至略高于绝对零度）来使反物质的速度慢下来。由于重力是最微弱的基本力，在实验中物理学家们必须使用中性的反物质粒子，以防止更强大的电场力的干扰。

所以，要弄清楚一颗“反物质苹果”会落下来还是“掉”上去，科学家们还有很长的一段路要走。

4.研究反物质需要粒子减速器

你听说过粒子加速器，但是你可能并不知道还有粒子减速器。欧洲粒子物理研究所耗资1000多万美元专门建造了被称为反质子减速器的装置，它是一个环形存储盒，周长188米。在诸如大型强子对撞机那样的环形粒子加速器中，粒子每旋转一周就会获得能量。反质子减速器则相反，反质子越转越慢，减速器可以利用磁场将高能反质子减速成速度约为光速十分之一的反质子。

科学家们希望利用减速器产生的反质子进行实验，比如用磁场对反质子进行约束，或将反质子与正电子结合成为反氢原子。原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成的，如果由带正电的电子与带负电的原子核组成原子，那么就是反原子，由反原子就可组成反物质。

科学家们认为，宇宙诞生时产生了大体相等的物质和反物质，那么现在这些反物质到哪里去了？一种说法是，在宇宙的某些地方存在着由反物质组成的星系。还有一种说法是，宇宙诞生时产生的物质比反物质多了一点，物质与反物质相互湮灭后，剩下的物质就构成了现在的宇宙。

为了解开反物质之谜，科学家们需要在实验室中制造反物质，进而才能研究反物质。目前在实验室中制造正电子、负质子等反基本粒子已经不难，而将正电子与负质子组成反原子却十分困难，因为将这两种粒子结合在一起并且能证实它们结合成反原子的工作十分复杂，而这种工作，只能依靠反质子减速器才能完成。

5.中微子可能是它们自身的反物质粒子

带有相反电荷的物质粒子和它的反物质伙伴常常是很容易区分的，但是中微子却有些特别。作为宇宙中大量存在的粒子之一，每秒钟有几十亿颗中微子以接近光速的速度经过每一寸人体。然而，由于这些几乎没有质量的神秘粒子既不带电荷、又不怎么与其他物质相互作用，因此监测到它们异常困难。

20世纪30年代，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出中微子可能是自己的反物质粒子。如果这个理论是正确的，那么科学家可能能够看到超级罕见的事件，也就是中微子双β衰变，它指的是放射性的原子核衰变，释放出两个电子和两个中微子，由于中微子可能是自己的反物质粒子，它们会相互碰撞并相互湮灭，科学家们将只会观察到电子。

如果能够证实马约拉纳的预言，这对于解释对称性破缺是有帮助的。科学家们假设中微子原有轻、重两种。现今我们探测到中微子都是轻的那一种，而重的那一些在大爆炸之后很快就没有了。如果能够解释重的中微子消失的原因，那也许就能够解开物质存在之谜了。

6.反物质已经有所应用

反物质虽然难以获得、难以存储，但实际上，反物质已经在某些领域得到应用了。

比如，正电子发射断层显像术（PET）正是使用正电子产生人体高分辨率的图像。一些人体中新陈代谢必需的物质，比如葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸，它们可以标记上能够释放正电子的放射性同位素（比如香蕉中的钾-40），注入人体。在人体内的不同组织中，放射性元素释放的正电子和电子湮灭，可以产生用于构造图像的伽马射线。一些容易患病的高代谢的恶性肿瘤组织中，葡萄糖代谢旺盛，因此正电子聚集会较多，这些组织的特点就能够更详尽地通过图像反映出来。

欧洲粒子物理研究所的科学家们也正在将反物质视作治疗癌症的潜在手段，他们已经进行了多次反质子治疗癌细胞实验。这里拥有世界上唯一一个反质子减速装置，有了这个装置才能产生低能高品质的反质子束。

由于物质和反物质粒子碰到一起的时候，它们就会湮灭，释放能量。反质子癌细胞治疗实验就可以利用这一性质，使入射的反质子和肿瘤细胞中原子内的一部分质子发生湮灭，而湮灭后释放出来的能量产生的新粒子可以接着破坏邻近的肿瘤细胞。

目前的质子束治疗通常使用质子来摧毁病人体内的肿瘤细胞。科学家曾经比较了治疗癌症的实验。在实验中，科学家们分别用质子束和反质子束打击仓鼠细胞，结果显示，杀死同样多的癌细胞，反质子所需要的量只是质子的四分之一，这样就显著减少了粒子束经过正常细胞的量。由于反质子在杀死目标区域的癌细胞的同时较少影响健康组织，这种粒子束将在治疗复发癌症方面具有很高的价值。科学家们希望下一步能检验人类的临床效果，不过这预计将会是10年之后的事情了。

7.人们已经在研究如何用反物质发动宇宙飞船

少量的反物质就能够产生相当大的能量，这使得反物质成为未来最受欢迎的燃料。在理论上，用反物质作为燃料来推进火箭是可行的，主要的问题在于如何才能收集起足够量的反物质。目前还没有技术能够量产反物质并使之发挥作用，然而，少数科学家已经开始进行反物质发动机的仿真研究了。

比如，美国肯特州立大学的科学家们对反物质火箭可以达到的性能进行了计算。他们用计算机软件模拟粒子在大型强子对撞机中的行为特点，在对撞机内部，一束质子流和一束反质子流迎头相撞，就会产生巨大的能量。如果以此为基础可以设计一种引擎设备，那么以这种反物质作燃料的飞船的飞行速度将是非常惊人的。科学家们计算的结果显示，一艘采用正、反物质湮灭反应驱动的超级飞船，其在太空航行的速度可以达到光速的70%。如果乘坐这样一艘飞船，从地球出发前往距离最近的一颗恒星比邻星(即半人马座α，距离4.2光年)只需要6年时间。

如果有一天，我们能够解决反物质的供应问题，届时星际旅行将不再是梦。

本文源自大科技*科学之谜 2016年第8期杂志文章、欢迎广大读者关注我们大科技的微信号：hdkj1997