【英国《焦点》月刊】题：如何制造反物质(作者英国牛津大学理论物理学家弗兰克·克洛斯)

　　如果偶然看到一小块反物质，你不会觉得它与普通的物质有什么不同。从外表来看，你没法区分哪一块是物质，哪一块又是反物质。即使观察单个的原子，你也不可能分清楚。只有在原子内部，两者之间的深刻互补性才会显现出来。

　　物质是构成你、我乃至周围万物的基石。作为物质的原子是由居于中心的原子核以及围绕其旋转的电子组成。最简单的元素———氢元素的原子只包含一个质量极轻的电子和一个体形巨大(就原子级别而言)的原子核，原子核的成分则是一个质子。电子带有负电荷，质子则带有同样电量的正电荷。

　　与氢原子相比，“反氢原子”只有一个不同点：其内部粒子的电荷是相反的。于是，我们看到有一个体形巨大、居于中心、带负电荷的“反质子”操控着一个飘忽不定、重量极轻、带正电荷的“正电子”。电荷吸引的原则并没有改变：无论对物质还是反物质而言，正负电荷都在互相吸引。因此，构成原子、组成分子、堆积成大块物质的那些电磁力应该同样可以构建出反原子、反分子和大块反物质。

　　能量与物质

　　就我们目前所知，物理学法则暗示宇宙大爆炸(有科学家认为现在的宇宙是在一次大爆炸后形成的———本网注)的能量应该凝结成了等量的物质与反物质。然而，如今的宇宙里并不存在大量反物质。这就成了一个谜。欧洲核子研究中心面对的重大挑战之一就是要解开宇宙中物质与反物质的量存在不对称性的奥秘。

　　有一件事是肯定的：物质与反物质不会相互混合，同时存在。这不仅适用于极其微小的基本粒子，也适用于原子。当一个粒子与其对应的反粒子相遇时，两者就会共同湮灭为一束能量，比如高能伽马射线。

　　早在上世纪90年代，科学家就利用欧洲核子研究中心的一台粒子加速器，以非常壮观的方式演示了正负电子相撞湮灭的情景。电子与正电子在大型正负电子对撞机中加速至接近光速的水平，然后相互迎头碰撞。于是在一个比原子核还要小的区域内短暂出现了一股能量。宇宙诞生后的极短瞬间内就发生过类似的状况。

　　通过记录这些“迷你大爆炸”的实验结果，科学家就有可能研究出物质是如何在宇宙大爆炸之后形成的。实验证明，能量可以“转化”为力量均衡的粒子与反粒子。这就印证了物质与反物质在宇宙诞生早期呈现完美平衡状态的理论。于是，反物质消失之谜依然没有解开。

　　假如可以制造出供用于研究的反物质原子，就会对解开谜题有所帮助。不过，倘若能够在创造出反物质的同时防止其瞬间湮灭，这还真算得上一个不平凡的成就。事实上，物质与反物质相接触后导致的爆炸性后果是科幻小说最钟爱的题材之一：比如《星际迷航》中使用的能源，以及丹·布朗的惊险之作《天使与魔鬼》里的致命炸弹。在现实世界中，这样的应用成果即使能够成真，也不可能在短时间内成为现实。不过，原子级别的破坏确实给反物质的存储制造了麻烦：如果有东西会破坏掉与之接触的任何物质，你该如何保存它呢？

　　囚禁反物质

　　欧洲核子研究中心的科学家们已经成功解决了这一难题。首先，你需要制造出非常良好的真空环境，这样反物质就不会意外撞上某个在空中游荡的原子物质。其次，你必须保证反物质不会接触到容器的器壁，因为容器的成分自然是物质的。诀窍是要制造出一个“磁力瓶”，即不使用任何固体材料，而是利用一组电场和磁场。这些场能够囚禁反物质，防止其接触到磁体本身。

　　通过这种方法，科学家曾经借用磁力来控制大型正负电子对撞机等粒子加速器中的单个高能反粒子(包括反质子和正电子)。磁体会引导正电子在一条很长的环形管道内运动，管道内部的真空水平比外太空还要高。带电粒子流的运动速度则接近光速。

　　低能反物质的情况则有所不同。储存“低温”正电子的工具叫做“彭宁陷阱”，是荷兰物理学家弗兰·米海尔·彭宁想出的一个用一系列电场和磁场来囚禁反物质的方法。单个正电子每次能够在彭宁陷阱中储存几个月，供科学家研究。迄今的研究表明，除电荷性质相反外，正电子与电子完全一模一样。

　　不过，科学家能够一次性囚禁的正电子或反质子的数量是有限的。囚禁的同种粒子数量越多，其总电荷量就会越大。最后，电荷量会因为变得太大而对构成陷阱本身的各个电场和磁场造成破坏。

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