鏡子裏的世界：反物質之謎

通古斯大爆炸。（資料圖片）

人們每天都會照鏡子，鏡子裏總有個和你看起來一模一樣卻又完全對立的傢伙，可是你有沒有想過，是否在一個遙遠的地方，真的存在一個鏡子裏的你呢？如果有一天當你正在顧影自憐時，鏡子裏的那個傢伙突然出現在你的面前，你會怎麼樣呢？再擴大些，我們看到的花草樹木、山川河流、城市、乃至整個世界，是不是也存在一個完全相反的如同像鏡子裏一樣的世界呢？如果有的話，它又在哪里？如果正反兩個世界相遇又會發生什麼？……

科學家也在尋找這樣的答案。只不過他們的考慮更嚴謹一些，他們的探求也更科學一些。世界著名物理學家、諾貝爾獎金獲得者丁肇中先生及其由全世界16個國家、600多個科學家組成的超級探索隊正致力於一個被稱為“AMS”的空前偉大的實驗——在茫茫太空中搜尋那個未曾謀面的“鏡子裏的世界”。

●何為鏡子裏的世界？
所謂“鏡子裏的世界”，就是看起來沒什麼不同，但物質特性卻完全相反的這樣一種存在，科學家把這種奇特的物質稱為“反物質”。上過中學物理課的人們知道，物質是由原子組成的，原子又是由帶正電的質子、帶負電的電子和不帶電而有一定磁性的中子組成的。所謂反物質，就應該由包含帶負電的質子、帶正電的電子，以及磁性正好與前面所說的中子相反的“中子”組成。

如果正負電荷具有完全對稱性，宇宙裏的物質具有完全對稱性，既然存在地球這樣的星球，是不是也會有另一個和地球完全相反的星球呢？根據宇宙大爆炸的學說，科學家們進一步推測，150億年前宇宙誕生時所產生了大體相等的物質和反物質，我們所在地球或者太陽系很可能只是宇宙中物質存在的一種，另一種星球是由帶負電的質子、帶正電的電子以及與中子磁性相反的反中子來組成的，可以組成與正物質相對稱的“反星球”、“反銀河”，甚至還有“反人”存在。如果是這樣，那麼現在這些“鏡子裏的世界”在哪里？

●另一個世界存在嗎？
關於另一個世界的爭論主要有兩種，一種解釋是說“在宇宙的某些地方存在著由反物質組成的星系”；還有一種解釋是說“宇宙誕生時產生的物質比反物質多了一點，物質與反物質相互湮滅後，剩下的物質就構成了現在的宇宙”。那麼另一個世界是否存在呢？儘管科學家們在實驗室中已經發現了一些反粒子，並且於1995年製成了世界上第一批反物質———平均壽命僅為30納秒(一億分之三秒)的反氫原子，可是我們在自然界中卻難以發現反粒子的蹤影，更談不上由反粒子組成的反物質了，這到底是為什麼呢？科學家們給了人們一個答案：從原子和反原子的本性出發，當粒子和反粒子相遇時，正負相抵，就會“湮沒”，進而化為“光”彌散到空間。我們的銀河系完全是由普通物質構成的，所以一旦製造出一個反粒子，不管是在實驗室裏還是在星球內部，在它遇到一個粒子並湮滅以前只能存在短短的一瞬間，由此我們不難解釋為什麼在我們的世界難以找尋到反物質的蹤影了：反粒子都是從宇宙射線獲得的，而宇宙射線要到達地球，首先要穿過厚達3000千米———4000千米的大氣層，所以射線中的絕大部分反粒子在到達地球前都已與大氣層中的粒子相遇而“湮滅”了。儘管目前有足夠的技術產生“反電子”和“反質子”，並且可以在較長的時間內保存這些反粒子，還可以用它們與電子或質子相碰撞，但是卻還未能像一般物質中的電子和質子那樣，把“反電子”和“反質子”結合起來組成“反物質”。

在人類所觸及到的空間中，並未發現反世界存在，這對於人類來說應該是既幸運又不幸的事。幸運的是我們可以躲過與“鏡子裏的我們”相遇而灰飛煙滅的結果，不幸的是我們的種種假設、我們對宇宙的探知、我們對未來的掌握卻遭遇到了難題。既然我們無法在地球上進行我們的尋找，是不是可以把我們的視野擴大到更遙遠的太空呢？

●當正反的“我們”相遇會怎樣？
這個僅僅存在於人們推測中的神秘的“鏡子裏的世界”，為什麼會吸引人們千辛萬苦的去尋找它？它的存在與否到底會給人類帶來什麼呢？科學家為我們描述了這樣一幅場景：如果有一天，你面對一塊完全由反物質做成的“反蛋糕”，儘管可能與我們常吃的蛋糕有相同的美味，但你千萬不要去嘗它，因為由物質構成的我們，與反物質相遇馬上就會觸發比最強烈的氫彈還要猛烈得多的爆炸，會同時放出巨大的能量和比普通可見光強25萬倍的伽馬射線，這個反應是現在人類已經知道的最充分的一種反應，被稱為“湮滅”反應。因此，我們被鄭重地告知，即使有來自太空中的“鏡子裏的我們”來到面前，也千萬不要想著去和他們握手。1908年，在中西伯利亞發生了著名的通古斯大爆炸，居民們看見一個巨大的天體從天而降，隨著陣陣巨響，一團巨大的蘑菇雲騰空而起，方圓數十公里的森林被燒毀，人畜死傷無數，並且隨後北半球的廣大地區連續出現白夜現象。關於這次爆炸的原因有種種猜測，其中之一就是由於天外飛來一塊由反物質組成的隕石與正物質在通古斯河上空結合，放出大量能量而造成的。

●尋找反物質有什麼意義?
儘管預想中的反物質是如此的不可捉摸，但人們對反物質仍然充滿了憧憬。目前，人們發現和製造的反粒子雖然不多，但已經有了許多實際用途。如在醫學領域，醫生利用正電子發射X射線層析照相術（PET），不僅能掃描得出病人軟組織的詳細圖像，識別不同的疾病，而且能夠觀察人們體內的化學過程以及在進行認識活動時大腦各部分消耗“燃料”的速度。同時，由於正反物質碰撞會產生前所未有的能量，在軍事上也有多種潛在用途，有報道稱，美國正在進行一項名為“革命性彈藥”的研製計劃，其主要內容就是“反物質”武器的研製，據稱15年後就能製造出“反物質”發動機的原型機來，但成本高達200億美元。

然而，更令科學家心馳神往的還是利用反物質幫助人類實現星際旅行的夢想。據科學家們測算，將氫和反氫混合，這種燃料的0.01克所產生的推力相當於120噸由液態氫和液態氧組成的傳統燃料，而且不存在核燃料的污染。按照人類的火星登陸計劃，飛船和宇航員到達火星大約需要180天，但是如果以正電子為燃料，只需四十幾天的時間，就能幫助人類登上火星，並且消耗的燃料還不到一塊方糖的重量。離我們人類最近、推測存在著類似地球的恒星系阿爾法人馬座距我們4.4光年，這個距離是人類歷史上飛行最遠的深空探測器飛行距離的3000倍，以目前航天飛機的速度飛到阿爾法人馬座，需要12萬年，而如果採用反物質燃料10年即可到達……

面對亦真亦幻的“鏡子裏的世界”，關於反物質的種種設想，科學界目前尚有爭議。由反物質所組成的宇宙到底存不存在？反物質的存在到底會給人類的生活帶來什麼？記得曾有人問電的發現者法拉弟：“電有什麼用呢？”法拉弟巧妙地反問道：“新生的嬰兒有什麼用呢？”確實，一項重大科學突破問世時，人們往往是很難估計它的應用前景的，關於反物質探尋的AMS計劃也是如此。也許在不久的將來，更多的關於反物質的科學研究會帶給人類關於“鏡子裏的世界”的真實的消息，揭開另一個世界的神秘面紗。

大爆炸理論中、宇宙起源時的溫度非常高、物質與反物質的數量應該一樣多。關於反物質的種種設想，由反物質所組成的宇宙到底存不存在？科學界目前尚有爭議。

■AMS項目與反物質的探尋
為了探索反物質之謎，科學家把探索的觸角伸向了更遠的宇宙———空間的戰場。上個世紀90年代，在許多國家的科學家們數年共同努力下，由世界著名物理學家、諾貝爾獎金獲得者丁肇中先生領導的國際空間站上唯一的大型物理實驗，也是人類第一次在太空中精密地測量宇宙中帶電粒子和原子核的實驗——“AMS”項目啟動，其主要目的之一就是尋找反物質組成的宇宙。

“AMS”稱為阿爾法磁譜儀，是一種太空高能粒子探測器。在宇宙中有很多的粒子走過，並且會留下不同的軌道，阿爾法磁譜儀能夠準確地捕捉到這些軌跡。

1998年6月，由中國科學家參與制造最先進的粒子物理傳感儀——第一代阿爾法磁譜儀（AMS—01），由美國“發現者”號航天飛機帶入太空飛行10天，對宇宙中是否存在反物質做初步探測。然而，僅僅10天的探測遠遠不夠，為了獲取更多、更有效的數據，人們需要更大範圍、更長時間的搜尋，於是丁肇中先生及其世界級的合作團隊又開始了新的工作——“AMS—02”項目。根據實驗計劃，AMS探測器二代（AMS—02）將於2008年進入國際空間站，進行長達3—5年的數據採集工作，從而開始對反物質進行更大規模的探測。

為了保證這個儀器能正常地工作，丁肇中先生和東南大學合作，要設計一個和天上一模一樣的儀器，以便儀器在空中出現問題時，可以在地面上審查它。並且如果要更改程序，可以先在地面上把程序改好，再送到天上去。這是AMS—02項目中的一個重要核心項目即AMS—C（AMS—China），為此，東南大學和美國的麻省理工學院、意大利INFN、歐洲CERN等合作，在中國建立地面數據處理分析中心，這樣的中心在全世界設有3個，其中亞太地區的中心就設在東南大學。

2006年3月，從東南大學傳出了喜訊，中心建設的第一步——AMS-C實驗室已經投入使用，成功地在地面恢復了AMS-01的正反物質高能粒子探測功能。
（轉載自中國評論網)

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