反物质：说着玩玩，还是来真的？

NASA马歇尔太空飞行中心研究人员开发的未来反物质动力火箭的假想草图

    新视野

    即将到来的数十年里，人类发射新型高科技探测器前往近地星球探索的消息无疑会越来越多，而那些距离地球仅数光年的行星亦将陆续被人类一一打量，这也是未来宇航探索的目标所在。

    在完成这些目标的过程中，人们不会忘记去观察达尔文的进化论是否能在其他星球上也发挥着和在地球上一样的巨大作用——换句话说，试图寻找地外生命。

    尽管人类制造的太空望远镜已越来越强悍，但科学家们认为：短时间内或许还不能用它们直接观察到外星生物，最好还是能在显微镜下观测到那些奇异的、处于低级状态的外太空生命痕迹，而这就需要我们的飞船有足够的动力抵达另一个行星系统。

    现在，越来越多关于反物质研究的文章意图说明：人类可以将反物质作为一种新型燃料之源。我们想知道这一结论背后，究竟是可望可及的事实，还是自由奔放的臆测？

    科幻是负责任的天马行空

    反物质的概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在20世纪30年代预言，每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反。

    我们都知道当正物质（普通物质）与反物质相互接触时，会发生湮灭并释放出大量的伽马射线。可以说，这种稍一接触就大爆炸的变态效果，乃是科幻小说家最津津乐道的题材之一。

    在著名的《星际迷航》系列电影中，反物质是一种燃料（其作为燃料动力系统的工作原理也需要利用正反物质相互湮灭而释放能量），“企业”号宇宙飞船可实现曲速飞行、超光速抵达宇宙中任何一个地方，都仰仗于它的反物质动力系统。

    尽管这只是科幻作品中的一个情节，但负责任的科学家们推断，要进行恒星际宇宙航行时需要携带相当多的反物质，如果是对另一个行星系统进行考察并登陆，那么还需要携带足够的反物质燃料用于减速。据粒子物理学家的计算，如果一艘恒星际宇宙飞船重量为100吨，设计速度为光速的40%，则其必须携带的反物质质量要相当于80艘超级油轮的装载量。不过，如果能将最大速度降低为光速的25%，需携带的反物质燃料质量也会大幅降低。

    除作为燃料外，在畅销书作家丹·布朗所撰写的《天使与魔鬼》中，描述了欧核中心（CERN）的科学家从大型强子对撞机（LHC）中提取出足够量的反物质用于制造威力巨大的炸弹。由于该书中借用了太多真实场景（甚至包括对CERN花园的描写）与毫不夸张的科学数据，那颗藏匿在罗马的反物质炸弹给读者带来了相当逼真的震撼——能以百分之百的效率释放能量，0.25克就足以“将梵蒂冈从地球上抹去”。

    尽管书名《天使与魔鬼》另有它意，却同时也描述出了反物质的两极性格——轻松的能量来源，轻易地毁灭世界。只不过，即使只是制造和保存微量反物质也是件非常困难和耗资巨大的事情——试想它一接触任何常规物质制造的容器壁，就会瞬息湮灭。因此若谈到制造超级武器，更是距离现实非常遥远。

    “在科学技术的力量到达之前，我们已经到达了那些世界。”这就是科幻的真实含义。它符合现在绝不可能兼未来一定要有可能这两个基本条件。反物质在科幻作品的“虚”中，扮演了相当重要的角色，那它在科学世界的“实”里，情况又如何？

    理论探索一贯喜中掺忧

    在实验室里，科学家对反物质相对比较了解，可惜现在的宇宙环境中却没有很多反物质。在这些“微乎其微”中，最早被人们发现的就是正电子，而在所有反粒子中，最容易获得的也是正电子。

    对于现在的宇宙而言，人类无疑非常幸运——早期宇宙中虽然存在大量的反物质，但是正物质的含量却比反物质稍微多了一点。正是如此幸运的“一点点”，导致此后的宇宙在演化中逐渐形成了现在我们所看到的恒星、行星，也包括我们自己，所有的普通物质。

    在宇宙学中，对解释今天宇宙中“物质—反物质比”的一则极其重要的理论，就是“CP破坏”。现在，通过一系列有理的假设，宇宙学家可以得出在宇宙诞生的大爆炸后数秒内的极端状况下，由“CP破坏”所导致的普通物质数量超过反物质数量的结论。根据其描述，如果有一个由反物质构成的星系出现，那么作为普通物质的人类，最好还是远离它。

    然而，由于有“电子—正电子”这对最适合研究正反物质结合的系统存在，其在碰撞湮灭过程中所释放出来的能量，是可以根据爱因斯坦的质能方程E=mc2算出的，这使得现在越来越多的研究认为：反物质的确可以是新型燃料之源。

    但是，在这项新构想真正付诸实施之前，人们必须解决反物质数量稀少的问题。按照麻省理工大学《技术评论》的估算，大型强子对撞机工作1000年，或者说仅通过目前的粒子物理加速器技术尚需花费1000年，才能够制造出1微克可作为燃料的反物质。

    如此看来，对反物质的理论探讨并没给其实际应用带来更多的希望之光，反倒凭添掣肘，颇有“人问寒山道，寒山道不通”的意味。

    不过，另一点必须看到的是，在人类建造的加速器里，质子束在以每10年4个数量级的速度提高着。更巧合的是，曾经服役于美国国家航空航天局（NASA）的航天飞机机队,于过去的数十年间使用的液态氢量也呈现相似的增长趋势。美国《探索》杂志5月末一篇文章指出，有部分粒子物理学家认为，到了本世纪中期，微克级的反氢产量可能出现指数式增长。

    现实研究保持阔步前行

    2011年，欧核中心的物理学家将捕获的反氢原子保持了1000秒。这个时间并不长，但对于主持反氢激光物理装置项目的科学家来说，却是4个数量级的重大突破——他们此前的记录是捕获了38个反氢原子并保持了172毫秒，那其实已是从更早期的百万分之一秒量级提高到十分之一秒的量级了——而2011年的实验成功将309个反氢原子保持到1000秒，从而为更深入观测反物质争取了宝贵的时间，也为进一步证明反物质属性铺平了道路。

    在实验室之外，国际合作研制的PAMELA（反物质探测和轻核天体物理载荷）探测卫星在地球磁场中发现了反质子的存在。2011年12月，NASA的费米伽马射线天文望远镜以最新数据证实了宇宙存在着过量的反物质，而本次结果是在2008年PAMELA卫星捕捉的一次非同寻常的反物质信号的基础上完成的。

    为了寻找更加无可置疑的证据，一个相当值得依靠的探测器——丁肇中领导、耗资22亿美元研制的“阿尔法磁谱仪2”（AMS-02）已于去年5月发送到了国际空间站。这台被称为“科学之未来”的强大仪器，拥有巨型磁铁可用于解析宇宙射线，兼而探测正电子的过量和骤降，同时标示出地球轨道上的反粒子。

    AMS-02拥有的是远比费米望远镜更高的能量探测范畴，因此也被视为可对反物质谜案作出“结案陈词”的科学利器。而最近的研究发现，巨大的行星，如木星，其磁场中应该存在着比地球更多的反质子。

    当前的趋势是，科学家开始越来越感兴趣从宇宙空间中寻找新的反物质来源，而不仅是从相对低效率的加速器上获得了。因为如果获取到的反物质微量到连一杯咖啡都热不了，更别提去驱动《星际迷航》中的星舰“企业”号了。

    另辟蹊径挑战终极可能

    在反物质供给问题暂时陷入僵局的情况下，科学家们也选择了从其他方向继续推进该项研究。

    美国微软全国广播公司（MSNBC）在线版本月一帧消息称，西储学院附高的罗南·基恩和肯特州立大学高级研究员张伟明（音译），设计出一套全新的计算方法用以验证反物质火箭性能的优异，其结论是：若以反物质为动力推进火箭，则可接近光速。

    这项最新的研究指出，在未来，一种以正、反物质的混合物为推进器燃料的火箭，能够在宇宙中以光速的70%左右飞行。这意味着，借助这种新型物质发射火箭，人类前往离地球最近的4.2光年之外的半人马座约只需要6年时间。

    据研究者基恩与张伟明阐述，所谓的“湮灭”现象，是当普通物质与反物质混合接触的瞬间发生的爆炸，反物质和正物质由此变成光子或者介子。而由湮灭迸发出的巨大能量，正是他们“反物质火箭”研究的理论基点——听起来和“企业”号星舰的动力原理类似。而据发表于物理学网站arXiv上的文章称，1公斤正反物质相互作用时所释放的能量，是同等重量核反应堆燃料的1000多倍，更是同等重量碳氢化合物的20亿倍。

    此二人的研究借助了一款用以帮助展示大型强子对撞机内粒子活动状况譬如质子和反质子流的计算机软件。他们认为该软件现在可以用来设计更精密复杂的飞船引擎。而最终，基恩与张伟明的分析结果显示，反物质火箭的速度完全能够达到光速的70%，这比之前其他研究小组33%光速的成果有了非常显著的提高。

    arXiv网站对此作了相关解读：反物质火箭发动机的工作原理是借助磁场的力量来导流湮灭发生时产生的带电粒子。这项技术的关键点是保证和提高磁场引导粒子流从引擎喷口逸出的效率。arXiv网站认为，一旦反物质发动机成为现实，寻找反物质燃料的工作就可以从理论研究进入到实质性阶段。现有研究已经证实，在地球周围的外太空，存在大量被地球磁场捕获的反物质。

    有趣的是，当反物质火箭真正投入使用之后，乘客们还必须开始习惯所谓的相对论效应——当接近以光速飞行，时空并不会移动得这样快。简单地说，从地球到半人马座的旅行，地球时钟会走了大约6年的时间，但实际感觉只过了不到4年半而已。

    尽管目前这一切听起来更像是异想天开，但伟大如爱因斯坦也曾认为，并无迹象表明核能将被人类利用，那么看似不可能的反物质燃料发动机，又为什么不会在一个世纪内成为终极动力呢？（记者 张梦然）

    《科技日报》（2012-06-05 八版）