反物质 终于逮着你了! 第一次捕获到反氢原子 2010年11月18日 物质与反物质湮灭于爆炸声中但释放出极高的热量 曾经神圣的假设被一个个打破,物理学的历史就是这样一路落满了碎片。技术的不断进步使更严格的实验成为可能,曾经被嘲笑为不可能的现象成为了新的规范。正是出于这个原因,物理学家们一直在寻找灵敏度更高的仪器,以便借此来探索反物质的王国。适用于反物质世界的理论应该能够映像出我们所熟悉的现实世界。如果将两者进行精密的比较而出现了差异,这就说明我们人类对宇宙的理解存在根本性的缺陷。 现在,在欧洲核子研究中心(CERN)及欧洲粒子物理实验室工作的一组科学家宣布在探索这样的实验方面取得了突破性进展。在最近一期《自然》(Nature)杂志上,参与了阿尔法实验的科学家们报告说,他们首次捕获到了极少量的反氢原子。反氢原子是一种结构最简单的反原子。由于氢原子是所有科学体系中人类了解最透彻的系统之一,这就为测试物质与反物质到底有多少相似之处而进行一系列的试验开启了大门。 粒子与反粒子间的对称性深深地锲入到物理学的基础之中。每个粒子都应该对应着一个反粒子,它们的质量和寿命完全相同,但带有相反的电荷。把这两种物质放在一起,它们瞬间就会湮灭而化为能量。反电子(也称正电子,人们一般这样称呼这种粒子)绕反质子和反中子运行就构成了反原子,这种反原子的能级应该与普通原子相同。此外,反物质同样应该具有吸引其它物质的引力。 在现实生活中,从来没有哪个人能碰落一个由反物质构成的苹果,看着它掉下来(或飞上天),而在粒子对撞机内产生的反物质能量太高,很难用精密的物理仪器进行检验。几十年来,欧洲核子研究中心和其他地方的物理学家一直在想方设法克服反氢原子的这些局限。反氢原子由一个正电子与一个反质子构成,正电子绕反质子运行。用激光照射氢原子或反氢原子,观察何种波长的光线被吸收了,可以通过这种办法来详细地比较这两种原子的能级。由于氢原子呈电中性,因而在观察其引力任何微小的吸引现象时,这个过程可能不会受到静电吸引其它粒子的干扰。 欧洲核子研究中心在过去的几个实验中都产生了反氢原子。但它们的能量太高,立即撞进实验仪器而消逝的无影无踪。自那以后,好几支试验队伍一直在想方设法生成温度较低的反氢原子,并使用巧妙配置的电场和磁场留住它。这就是阿尔法试验小组最近成功的做法。 让处于高温与高速运动状态的反质子和正电子进行结合是一桩非常困难的工作。只有将反氢原子的温度降到比绝对零度高大约0.5度时,用于困住反氢原子的由磁场构成的容器才能防止反氢原子逃逸。将定向质子束射向一小片铱,撞击的结果就可以生成反质子,而其内能比0.5K时大约高出1000亿倍。需要分阶段冷却才能将其运动速度降低,然后进行捕获,形成一个由大约3万个反质子组成的火柴棍那么粗的一个粒子云团。由放射性钠衰变产生正电子,冷却后形成一个由大约100万个正电子组成的体积同样大小的粒子云团,这团正电子被存放在相邻的一个容器中。 然后将反质子推入到装有正电子的容器中,用大约一秒钟的时间等待它们混合。这段时间内一些粒子聚合成反氢原子。接着加上一个电场将所有未聚合的正电子和反质子排出这个容器。而反氢原子由于呈电中性而留了下来。 为测试是否真的形成了反氢原子并被容器捕获,阿尔法小组关闭了容器的磁场。如此一来反氢原子就解除了束缚,与容器壁自由地发生碰撞,湮灭得无影无踪。探测装置准时地记录到了38次能量爆炸,该小组的结论是爆炸是反氢原子撞击容器壁所产生的。 虽然记录到的被捕捉原子数量很小,但研究小组对此却很乐观。该小组已开发出冷却正电子和反质子的改进技术,通过应用这些技术应该能够捕获到更多的反原子。反物质的庐山真面目就要显现出来了。
088 Science and technology - Antimatter.mp3 |
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