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癮科學:通往反物質能量的一小步

Andy Yang
2010 年 11 月 26 日, 中午 12:00
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每次一聽到「反物質」這個詞,腦袋中都不免會閃過各種非常科幻的場景 -- 用反物質做燃料的太空戰艦從炮口射出反物質彈,擊中敵艦後敵艦就在一陣光中消失無蹤。問題是,我們到底離這個夢想的世界還有多遠呢?17 號在英國自然期刊上發表的反物質「突破」,是 CERN 的科學家們成功地讓 38 顆反氫原子存在 0.17 秒 -- 這樣的數字雖然不論是量產還是儲存,都還差得很遠,在反物質的研究上只是一小步,但卻是得來不易的一小步呢!

為什麼反物質這麼難搞定?這主要來自於反物質最著名的特性:當反物質接觸到物質時,兩者會互相抵消而「湮滅」(我總覺得這個描述會產生誤解,畢竟東西不是就消失了,而是轉換成了另一種形式),並產生大量的能量。物理學最大的謎團之一正與反物質有關,即大霹靂的發生應當對物質和反物質是一視同仁的,為什麼最後物質比反物質多了那麼一點點(大約每十億顆多一顆),以至於當所有的物質和反物質都湮滅後,還有這麼一點點額外的物質留了下來,形成星系、星球、行星、你我?


不,這張圖和反物質一點關系也沒有。我只是找了一張看起來很厲害的圖而已。
雖然目前的宇宙裡充斥著物質,但這並不表示自然界中產生反物質是非常稀罕的事,甚至地球上空的范艾倫輻射帶受到高能宇宙射線碰撞時,也會產生反物質,更不要說靠近星系中心的黑洞,極有可能正在大量地產生反物質中。只是任何自然產生的反物質,都會很快地被它所接觸的第一顆物質消滅,因此我們觀測得到的宇宙 中,並沒有大量的反物質存在的跡象。不過科學家也不排除可能有部份的宇宙區域裡是反物質多於物質的,只是因為和物質沒有一個接觸的邊界(接觸的話應該會是個非常強的伽碼射線源),或是我們的探測不得法,因此目前還沒能發現有這樣的區域存在。


Discovery 看多了之後想像中的正子           右:科學家實際看到的正子

基於同樣的原理,科學家在高能粒子碰撞實驗中,三不五時地就會製造一些反物質出來,但是都馬上就被周遭的物質消滅了,很難能夠留得下來。在所有的反物質中,正子(即反電子)似乎是自然界最容易產生的一種,也是第一個被發現的反物質,在 1932 年被 Carl D. Anderson 所發現,也為 Carl 贏得了 1936 年的諾貝爾物理獎。正子也是目前最容易人工生成的反物質之一,勞倫斯利福摩爾國家實驗室開發的新技術可以一次生產上千億顆的正子,而且正子在醫學和材料科學等方面已經找了到應用,可惜正子的質量太過微小,做為能源並沒有什麼實用上的意義。

正子的下一步,就是反質子和反中子。反質子在 1955 年由 Emilio Segre 和 Owen Chamberlain 所發現(也為他們贏得了 1959 年的諾貝爾物理獎),反中子則是由 Bruce Cork 於 1956 年發現,晚反質子一年。有了反質子和正子,結合兩者的反氫原子應該相當容易吧?一點也不。這主要還是能量的問題,要讓正子乖乖的進入反質子的「軌道」,兩 者都必需要「降溫」(減少動能)到一定的程度,否則就算在很短的時間內能確定反氫原子的存在,正子和反質也會馬上分離。第一批實驗確定的反氫原子要等到 1995 年,才由 CERN 的科學家所製造出來了約 100 顆反氫原子,只是當時的能量還是太高了,並不適合拿來研究用。


CERN 的反質子減速器。研究最小的東西,偏偏靠的都是世上最大的研究器材... [圖片來源]

接續的研究(稱為 ATRAP 和 ATHENA)主要是利用在 1999 年 CERN 啟用的一個稱為「反質子減速器」的裝置,將反質子所帶的能量從 3.5GeV 降到 5.3MeV,再用電子電漿進一步冷卻到 100 meV。方法是沒有問題,可是過程中只有 1/1000 的反質子能留存下來,相當的沒有效率。不過即使如此,到了 2002 年時,設備每秒已經可以生產約 100 顆反氫原子,而到了 2004 年時已經用這個方法生產了上百萬顆的反氫原子。但是,科學家明知道生產了這麼多出來,但卻幾乎沒辦法對它們做任何的實驗或觀察,因為正子和反質子各帶正電荷和負電荷,可以用磁場將它們困住,但一旦結合成了反氫原子之後,電中性的反氫原子便不再受磁場的束縛,會直接撞到實驗設備的內壁而湮滅。


氫與反氫 -- 兩者構造相似,但電荷相反。反氫的原子核帶負電,而正子帶正電。

這次的突破就在這裡。由 ATHENA 的成員改組而成的 ALPHA 小組,成功地將反氫原子所帶的能量降到能夠困住的程度。雖然量不大,而且時間還是很短,但是以粒子物理學的角度來說,0.17 秒已經長到可以做很多相關實驗,來了解反氫原子的一些特性了。一旦我們對反氫原子有更進一步的了解,對於其製備、保存及應用,應該都會有更長足的進展吧! 只是目前來說反質子的產量實在是非常地低,CERN 估計當所有現行的設備都能全速運轉時,每分鐘約能生成 107 個反質子 -- 聽起來很多,但就算這 些反質子能全部變成反氫原子,也要 1000 億年才能生產 1g 的反氫。


用反物質做燃料最大的優勢,就是 100% 的質能轉換效率... 和漂亮的圖 XD

所以反物質的世界離我們還有蠻遠的一段距離。現行的估計,每克正子大約要花 2.5 億美元,每克反氫更要 62.5 兆美元的天價。但這主要還是因為人類還沒有開發出適合生產的裝備來。如果 ALPHA 小組的研究結果能導向更簡易的反物質生產方式的話,這可就是通往反物質能量的一大步了呢!

[Wikipedia: 反物質正子反質子反氫]