欧洲核子研究中心(CERN)是一个庞大的科研机构，除了LHC的相关实验之外，还有上百个实验在同时进行，而大部分的实验，最终的目的都是一个：解开宇宙起源之谜。我们知道建造LHC的最主要目的是为了寻找闻名却未见的希格斯子，但CERN还有很多其他的事情要做。比如说按照现行理论，宇宙大爆炸时同时出现了物质和反物质，但是两者却无法共存，但为什么今天的宇宙只有物质但没有反物质呢？反物质到底是什么东西？随着技术的进步，这也成了物理界越来越引人注意的话题。

　　11月底，CERN发布的一个突破性消息引起了人们的广泛关注。反氢激光物理设备(ALPHA)坐落于CERN的主楼群，仅有40位科学家为此工作。正是他们首次长时间捕捉到了反物质。尽管这个发现借用了LHC的成果，但其实验和LHC的思想完全相反，不是加速，而是“减速”。

　　对称定律解释世界

　　和其它物理界的发现一样，反物质首先也是“思想实验”。早在79年前，英国物理学家狄拉克就试图把量子理论和狭义相对论结合在一起。这是两个互不兼容的基本物理理论。狄拉克发现，反物质必定存在。1932年，人们在实验中寻找到了狄拉克设想的正电子，其质量、带电量与电子完全相同，只不过它带的是正电(电子带负电荷)。

　　随后，人们逐渐发现了各种基本粒子对应的反物质。“反物质就像是物质在镜子中的像。它和对应基本粒子的质量完全一样，却具有相反的其他量子性质。”ALPHA实验发言人杰弗瑞(Jeffrey Hangst)在接受本报记者采访时说，“质子带正电，反质子带负电；电子带负电，正电子带正电……”

　　按照目前解释微观世界最好的理论模型，宇宙大爆炸时，同时产生了物质和反物质。今天，NASA的天文学家们也观察到，在遥远的宇宙区域———也就是我们所能看到的早期的宇宙，似乎存在物质和反物质碰撞后产生的伽玛射线踪迹。不过今天的宇宙却是由物质而非反物质组成的。“自然选择了物质，反物质似乎消失了。没有人知道为什么。”

　　宏观世界中，很多东西都是对称的。微观世界也是这样。在“标准模型”中，有着一个对称定律，认为量子场论方程所有允许的解，都依据这个对称定律，物质所遵循的物理法则，反物质也同样遵循。这个对称定律由三个字母组成：C、P、T，它们意味着三方面的对称：电荷共轭变换、宇称(左右)、时间反演。在随后的岁月中，不少物理学家们靠研究对称性问题拿下了诺贝尔奖。其中很多人研究的是“对称破坏”，即在一些物理过程中，一些对称性(特别是C和P的对称)被破坏了。

　　“CP对称破坏”是描述今天宇宙中物质数量超过反物质的重要解释之一。目前，有很多科学实验都在对这个现象进行验证，希望通过反物质研究了解到对称性定律及标准模型的有效性。

　　最冷的反物质

　　LHC的四大探测器之一LHCb研究的主要就是反物质和对称性问题。但ALPHA实验却和LHC几乎没关系，和LHCb的实验目的和方法也截然不同。在这里科学家们同样选择了氢，氢原子和反氢原子都只有一个质子和一个电子，结构非常简单。

　　两个反氢原子的原料分别是这么制作的，将定向质子束射向一小片铱，高能碰撞会生成反质子，再加以分阶段冷却。由放射性钠衰变产生正电子也加以冷却。“我们借用了对撞机中产生的反氢质子，所以我们还是依附于CERN的实验。但设备和实验都是我们自己设计。”杰弗瑞告诉本报记者。

　　在ALPHA并不大的实验室里，层层的管道连到磁场上方的探测器。在这里工作的科学家设计了一个改变速度的设备。它并不是另一个加速器，而是一个减速器。科学家将已有的反质子和正电子放在一起，令其生成反氢原子，然后让它逐渐减速，以便在一个像浴缸一样的磁场中将其“捕获”。

　　反物质无法与物质共存，因为两者一旦接触，便会同时消失并转化为能量，转化的能量形式如光子，这个过程用术语叫做“湮灭”。该过程产生的能量十分巨大。

　　ALPHA的实验结果却跨过了这个门槛。首先，实验必须在真空中进行，科学家设计了一个真空管道，排除了绝大部分的空气物质。反氢原子是中性的，没法通过电荷来捕获，怎么逮住它呢？杰弗瑞介绍，尽管电中性，反氢原子还是带有微弱的磁场，可以对磁场做出反应。

　　在热力学上，温度体现的是物质粒子的动能。理论上说，如果物质粒子达到绝对零度时，它应该完全静止。所以，温度越低，粒子的速度越慢。科学家们让来自LHC的高能反氢质子减速冷却，最后让-70℃左右的反质子束和更冷的正电子束进行对撞，一些反质子和正电子结合形成了反氢原子。如果说LHC的目的是令粒子更快、更热、更重，那这个实验中，原子则变得更冷更慢，其中速度最慢的反原子，温度仅有-272.5℃。

　　这些超级冷的反原子，最后“陷”入了一个超导磁铁构成的“磁场缸”里。“磁场越强，抓住的反原子也越多。”杰弗瑞说。他们共运行了335次实验，由1000万个反质子和7亿个正电子结合。产生的反氢原子中，有38个被捕获。

　　要观察被“囚”的反物质的存在，唯一的方法就是“释放”它。0.17秒后，科学家们关闭了磁场，反氢原子迅即与氢原子碰撞，湮灭无踪。探测装置及时地记录下了这38次能量爆炸。这些爆炸都发生在反氢原子和产生磁场的缸状容器壁上。反物质和物质湮灭后形成了新的粒子。实验中，新产生的粒子是名为π介子的亚原子粒子。

　　杰弗瑞说，这是科学家第一次长时间“逮住”反物质。LHCb这样的高能粒子实验是没法捕捉反物质的，因为高能量的反粒子会迅速与实验设备相撞而消失，唯一能困住的，是低能、寒冷、运动缓慢的反粒子。

　　反物质不会炸毁地球

　　在高能物理的反物质实验如LHCb，主要的实验目的是寻找宇宙初期为何物质战胜了反物质而存在。另一些反物质实验，如CERN的另一实验ATHENA，主要研究反物质和引力的关系，而ALPHA的主要目的是研究标准模型是否能够同样作用于反物质。

　　标准模型认为，反物质和物质遵循一样的物理原则，比如反粒子应该和对应的粒子一样能够吸收同样的光的颜色。因此，此次科学小组用激光照在反物质上，准备探究其是否和对应的物质一样吸收同样的光波。

　　“到目前为止，在量子层面上，‘CPT对称定律’都表现得很好。但对于反物质，人们从来没有在原子核层面测量过其对称问题。”杰弗瑞说，“我们不知道为什么自然选择了物质而不是反物质，也不知道标准模型是否能够应用在反物质系统，或许标准模型能够在反物质中被证实，或许我们会寻找到惊喜，因为我们不知道物理会往哪儿走。”

　　捕捉反物质的技术正在突飞猛进。杰弗瑞表示，明年年初，他们将能够捕获更多的反原子。CERN的另一个实验项目ASACUSA，最近也在他们实验的基础上，通过新技术，将反氢原子引导到一个真空管中研究飞行速度。这个实验的目的是制造足够多的反物质，研究其运动行为。

　　即使这样，反物质的取得基本上还是只存在于实验室。79年前，狄拉克第一次提出了反物质的想法，这个名字就开始进入科幻小说。15年前，科学家制造出了反物质，但直到今天，人们才第一次较长时间捕捉到了反物质。虽然动用了大量昂贵的超导磁铁，科学家也只逮住38个反氢原子，技术之艰难可见一斑。因此，对于媒体与文艺作品描述的，将反物质作用于航空、军事等领域的设想，杰弗瑞表示这完全是天方夜谭，离科学现实还远得很。

　　“要造出《星际迷航》或者《天使与魔鬼》中所描述的那么多反物质，我们所需要的时间甚至会超过宇宙的寿命。而且，为制造它们而消耗的能量要比它们最后产生的能量还要大。”他补充说，在小说《天使与魔鬼》中，就提到了ALPHA实验使用的低能反物质。在拍摄同名电影的时候，导演曾来CERN咨询相关科学细节，但最终还是为了保证良好的视觉效果，将故事嫁接在了LHC上———实际上，LHC是根本无法保留住反物质的。

　　另一方面，反物质研究可以推动技术进步。今天，反物质已经在医学上的正子放射断层扫描仪(PET)中发挥作用。但真正研究反物质的目的，还在于科学追求真理的本质。“人类的好奇心永远无止境，我们想要知道宇宙爆炸时到底发生了什么。”杰弗瑞说。

　　责编 徐德芳 美编 顾乐晓 责校 郭利琴

　　新浪科技讯 北京时间2009年04月30日消息，据英国《新科学家》杂志报道，不久前我们听说欧洲粒子物理研究所利用大型强子对撞机产生可摧毁行星的黑洞。现在根据丹·布朗(Dan Brown)的巨著拍摄的一部电影，为我们提供了另一种假设在瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室生成的危险物——反物质，用这种物质制成的武器具有非凡的破坏力。

　　虽然布朗书中的反物质是虚构的，但是这种物质本身并不是虚构的。我们在宇宙射线里就能看到它的迹象，科学家通过在世界各地的粒子加速器里进行高能撞击，制成这种物质。医院采用的正电子发射体层显像技术，也利用能发射出反物质粒子的放射性分子成像。关于反物质，布朗的一种观点是对的：如果你想找到更多反物质，你最好前往欧洲粒子物理研究所。

　　谜团一：反物质都在哪里?

　　如果你要列举这个标准模型(物理学家对物质和它的相互作用进行的成功描述)的缺陷，我们不能存在的预言很有可能是合适之选。据这个理论说，宇宙大爆炸产生了相同数量的物质和反物质。它们可能在宇宙形成片刻后就相互消灭了对方。然而事实证明，我们确实存在。而且行星、恒星和星系也真实存在；我们看到的一切由物质构成的东西都真实存在。

　　有两种看似可行的方法可用来解决这种有关存在问题的谜。第一种是，物质和反物质的物理性质可能存在轻微差别，这使早期的宇宙充满过多的物质。虽然理论预言反物质世界可以映出我们的完美身形，但是试验证实，我们在镜子中发现一些可疑的擦痕。1998年，欧洲粒子物理研究所进行的实验显示，一种特殊粒子，即K 中介子时不时转变成反粒子，故而使物质和反物质之间失去平衡。

　　随后科学家利用加拿大和日本的粒子加速器进行试验，结果在2001年发现类似现象，不过这次他们在更重的K 中介子同位素B介子之间发现更加不均衡的现象。今年迟些时候一旦欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机开始恢复运行，它进行的大型强子对撞机B介子试验，将利用一台4500公吨重的探测器寻找数十亿个B介子，以便更加准确的揭开它们隐含的秘密。

　　但是大型强子对撞机B介子试验可能不会为我们提供揭开反物质消失之谜的答案。牛津大学粒子物理学家弗兰克·克洛斯说：“这种影响似乎太小，根本无法解释物质和反物质间存在的巨大失衡现象。”解释物质之谜的第二个答案，是在宇宙形成后的数秒里，物质和反物质的湮灭并不充分：物质和反物质在相互消灭对方的过程中设法逃逸出来。反物质可能就隐藏在宇宙的镜像区，那里可能存在反恒星、反星系，甚至是反生命。

　　克洛斯说：“这不是一个非常愚蠢的想法。”他指出，当一块热磁体变凉时，个体原子会迫使它们周围的原子与磁场结合，产生指向不同方向的磁域(domains of magnetism)。宇宙在大爆炸后的冷却过程中，可能也出现了类似现象。他说：“最初可能物质多一些，或者反物质多一些。”随着时间推移，这种微小差异扩展到宇宙的各个区域。

　　如果这种反物质域确实存在，它们一定不在我们附近。恒星和反恒星交界处发生的物质湮灭，可能产生了高能伽马射线。如果一个反星系与正常星系相撞，反物质所占的比例将会非常大。我们还从没看到过这种迹象，但是迄今为止还有很多宇宙区域我们都没看到过，这些区域距离我们非常遥远，我们可能永远都无法看到它们。

　　如果发现反氦或者其他反原子比重氢更重，这可能是证明反宇宙的证据。反恒星可能通过核子融合，构成反原子，这个过程跟普通恒星合并成常规原子一样。价值15亿美元的阿尔法磁谱仪的设计目的，是通过宇宙射线寻找这种迹象。现在它还静静的呆在地球上，等待着飞往国际空间站，不过该磁谱仪有可能会搭乘美国宇航局在2010年或2011年实施的最后一项航天飞机发射任务，飞往太空。

　　谜团二：如何制造反物质？

　　如果确实想破解反物质的诸多谜团，我们首先必须要努力解决反物质自身问题。说来容易做起来难。你究竟怎样去确定一种在触及任何东西的瞬间消失不见的物质？欧洲核子研究中心的两个实验ATRAP和ALPHA正试图解决这道难题。实验的目标是制造数量足够多、长度足够长的反氢，用以对其释放的光谱同正常氢释放的光谱进行对比。即便是两种光谱之间最轻微的差异也会改变标准模型。反氢可能是结构最为简单的反原子，是反质子和正电子结合产生的。

　　实验要求在几乎完美的真空状态下进行，因为即便遭遇一丁点空气也会造成反物质瞬间灰飞烟灭，所以必须找到捕获反物质的途径：并非在常规容器中，而是利用电场和磁场。ATRAP及ATHENA(ALPHA实验的“先驱”)在2002年成功隔离反氢，将来自粒子加速器的反质子同来自磁捕集器钠放射性来源的正电子结合在一起。不幸的是，这种成功稍纵即逝：磁捕集器仅仅对反质子和正电子这样的带电粒子起作用，但反氢不带电，所以，它可以从重重包围中脱身。

　　ATRAP和ALPHA实验目前仍在解决这个问题。欧洲核子研究中心物理学家罗尔夫·兰杜亚(Rolf Landua)说：“捕获反氢原子是当前科学的尖端领域，是一个挑战。”兰杜亚是好莱坞影片《天使与魔鬼》(Angels and Demons)的科学顾问，影片中顶尖物理学家莱昂纳多·威特拉(Leonardo Vetra)这个人物就是以兰杜亚为灵感创作的。他说：“迄今为止，没人成功做到这一步，但我相信我们可以。”尽管如此，兰杜亚说，原著中所描述的用便携式反氢捕获器围拢反物质的想法距离现实还十分遥远。

　　谜团三：重力对反物质有何影响？

　　我们认为，重力对所有物质的作用方式相同。但对反物质又如何？欧洲核子研究中心实施的AEGIS实验目的就是寻找到这个问题的答案。重力是一种相对微弱的力量，所以，AEGIS实验将利用不带电的粒子，以避免电磁力湮没重力效应。AEGIS实验首先创建高度不稳定的一对对电子和正电子，即电子偶素(一个负电子和一个正电子组成的类原子系统)，接着用激光器激活它们避免其过快湮灭。成群结队的反质子会将一对对电子偶素撕裂，“盗取”它们的正电子用以创建不带电的反氢原子。

　　这些水平穿过两组裂口的反原子脉冲会在探测器屏幕上产生精致的冲击图案和阴影。通过观测这个图案位置的变化，可以测算反物质承受重力的大小和方位。AEGIS项目发言人迈克尔·多塞(Michael Doser)表示，这是一个聪明的想法，但问题的症结在于细节。他说：“从没有人像这样制造受控制的电子偶素，从没有人在像这样的环境下，使用激光器生成激活电子偶素的状态，从没有人制造出像这样的反氢。”

　　如果研究人员最终获得成功，那么也值得他们付出这么大努力。倘若重力确实对反物质产生不同的影响，我们借此不仅可以了解到有关反物质的一些谜团，还能对现代物理学的基础理论有所了解。爱因斯坦广义相对论是当前被普遍接受的重力理论，该理论称重力对各类物质的作用相同。同样，标准模型预测，物质和反物质几乎在所有方面都是相同的。兰杜亚说：“如果发现事实与理论不相符合，那么我们就会发现极为重要的东西。”多塞则说：“我认为，研究结果不会与以往有什么不同之处，我赌一箱香槟。但我内心确实希望自己赌输了。”

　　谜团四：我们能否制造反世界？

　　眼下，物理学家应对反氢问题上面临重重困难。反氢可能是结构最为简单的反原子。我们能否期待他们制造出反氦，接着经由反碳推理出有机反分子以及整个元素反周期表吗？问题是，每个反原子每次必须建立在一个亚原子的反粒子之上。例如，如果你希望制造反氘——像反氢一样，但增加了反中性子——首先必须生成反中性子。反中性子是不带电的，令其不可能以常规方式与电磁场相互作用，所以，你必须生成大量反中性子，并希望在你制造的大约百万个反中性子当中，碰巧有一个出现在合适的位置，最终生成反氘原子。

　　研究反物质特性的AEGIS实验发言人多塞说：“你每多增加一个反中性子或反质子，你会丧失大好机会。”尽管迄今没人破解这道难题，但欧洲核子研究中心的实验正在充满利用一条捷径，至少可以制造反氢以外的物质。ASACUSA已经制造出“反质子氦”的原子，在实验中，一个绕氦核轨道运转的电子被反质子所取代。通过研究这种混合物质-反物质原子释放的光谱，研究人员可以极为精确地测算出反质子的电特性和磁特性，同时还能同常规质子的电特性和磁特性进行对比。

　　至于我们制造结构更为复杂的物质的机会，牛津大学物理学家弗兰克·克劳斯(Frank Close)充满悲观，他说实现这一愿望用时十亿年恐怕也不为过。克劳斯说：“这取决于人类能在地球上存在多久。”发现反周期表中更为奇特的元素的最佳方法就是仰望天空，希望某些反恒星(antistar)碰巧出现在我们面前。

　　谜团五：能否造出反物质炸弹？

　　反物质是一种致命武器，威力强大，不可阻挡。一旦将其从欧洲核子研究中心的充电平台上移走，灯光会令人眩目，周围会响起雷鸣般的咆哮声，它们会自动焚毁。有人提出，人类可能有朝一日利用反物质的破坏力去摧毁整个世界，这本身就是一种奇异的想法，也是好莱坞科幻大片《天使与魔鬼》的情节主线。在影片中，仅仅含有0.25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去。

　　欧洲核子研究中心物理学家兰杜亚表示，我们不要杞人忧天。科学家有充分理由相信上述一幕绝不会在不久的将来上演。兰杜亚说：“如果你将欧洲核子研究中心在过去30多年反物理实验中生成的所有反物质累积起来，如果你无比幸运，你或许会得到一亿分之一克反物质。如果它在你指尖爆炸，除了像点燃一根火柴以外，不会造成其它任何危险。”接受PET的患者血液中具有天然放射性原子，它们释放出数千万个的正电子不会造成任何负面影响。

　　即便物理学家可以制造出炸弹所需要的足够多反物质，但费用将会是个天文数字。兰杜亚说：“1克反物质的制造成本可能高达1000亿美元。这可能超出贝拉克·奥巴马在很多领域投资的资金。”牛津大学物理学家克罗斯还提到了时间问题。他说：“我们需要100亿年才能生成去制造丹·布朗(《天使与魔鬼》一书的作者)所说炸弹的足够多反物质。”

　　这听上去让人松口气，不幸的是，有人又希望将反物质作为一种清洁、绿色能源进行开发。克劳斯说：“如果大自然在过去150亿年间给我们生成足够多的反物质，也许存在这种可能性。”兰杜亚说，问题是，我们每次只能用它们造成一个反原子，这种办法消耗的能量将远远超过我们从中获得的能量——前者可能是后者的十亿倍。

　　然而，这并不表示我们不能以各种新途径利用反物质。2007年，美国加州大学河滨分校两位物理学家戴维·卡西迪(David Cassidy)和艾伦·米尔斯制造出由至少一个电子偶素原子构成的第一个分子。电子偶素原子很快湮灭变成高能伽马射线，所以，如果将大量电子偶素原子结合，也许这能够令其湮灭，同时释放出光线，造出巨大的高能“伽马射线湮没激光器”，可被用于对小到原子核这样的物体拍照，或引发核反应堆中的核聚变。(孝文）