反氫原子 人類向解讀宇宙奧秘邁出又一步

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位于日內瓦法瑞交界的歐洲核子研究中心(CERN)日前發布新聞稱,該中心阿爾法(ALPHA)試驗室科學家成功地將309個反氫原子“抓住”長達1000秒的時間,打破了迄今為止反物質留存時間最長紀錄。

　　“如此長的時間足夠科學家對之進行分析並進一步研究相關屬性,盡管目前發現的反氫原子數量極其有限。”該試驗室新聞發言人韓斯特先生(Jeffrey Hangst)表示。據了解,該中心科學家曾于去年11月利用反氫原子微弱的磁性,成功地用“磁場陷阱”束縛住了38個反氫原子並使其留存0.17秒。如果說,去年的試驗發現進一步證明了物理學界的“宇宙對稱學說”——確實存在反物質,那麼本次試驗結果則給人類研究反物質和進一步解讀宇宙奧秘提供了現實可能性。

　　北京大學錢思進教授對記者形象地解釋說,按照物理學對稱理論,宇宙大爆炸產生了等量的物質與反物質,而反物質至今才被科學家發現。“如果這種對稱理論存在,那麼在遙遠的宇宙中還存在著與我們當今現實物質世界完全相互對稱的另一個反物質世界。”電子具有負電荷屬性,按照此理論,一定存在一個正電荷電子;那麼同樣可以猜想在宇宙中還存在著另一個屬性相反的“銀河係”及其生存物體,包括千千萬萬個體存在的屬性相反的人類;按照物理學能量守恒原理,宇宙大爆炸產生了屬性不同的物質世界,但當這兩個屬性不同的物質世界相遇時則會產生能量(或者說爆炸)並瞬間消失,產生新的物質世界;如果上述能量足夠大的兩個物質世界的物體相遇時,就會產生地球和人類的災難。

　　宇宙的神秘現象或多或少引起民間疑惑,普通民眾擔心類似“黑洞”、“反物質”、“磁單極”和“真空泡”等各類猜想。比如,高能粒子對撞產生的“黑洞”會把現實世界“吞噬”掉;大到猶如地球體積的“反物質”會與地球相遇時相互“湮滅”,並成為一團光等。

　　錢教授對此解釋說,“這些擔憂完全沒有必要。”科學家奮鬥了十幾年,至今僅制造出如此少量的反氫原子,即使再努力10億年,所能造出反氫原子數量與當今物質世界相比也微不足道;另外,地球經受了幾十億年的宇宙射線“轟擊”,而“微觀黑洞”只是一個理論假說,即使存在,它的特性也與星係間的大尺度“宏觀黑洞”截然不同,其體積比質子還小,且壽命極短轉瞬即逝,不會給現實世界留下任何影響和痕跡。

　　人類還遠未充分認識物質世界。據歐洲核子研究中心資料介紹,在人類未知的96%的宇宙空間中,有70%的宇宙是由一種新形式的能量——“暗能量”所組成,而剩下26%的部分則是“暗物質”。與正常物質不同,“暗物質”憑借普通技術手段無法觀測。而此次科學家發現的反物質並使之留存1000秒則為人類打開探索宇宙奧秘之門提供了鑰匙。

　　該中心的科學家們曾用高頻手段“轟擊”反氫原子並記錄了反氫原子消失的過程,這使人類可以首次嘗試了解反氫原子的內部結構。據悉,在發現反物質之後,該中心科學家將在反物質與物質的等量屬性上做進一步的研究,即在浩渺的宇宙中是否存在一個體積、重量、結構、外觀等眾多指標相同的另外一個反物質世界,以進一步證實物理學對稱理論。

什麼是反氫原子

　　用自然界不存在的原子進行試驗在基礎物理研究中作用很大,但是面臨的重大挑戰是,非自然存在的原子其存在的時間特別短暫。一般的反物質原子有一個粒子和一個反粒子,非常不穩定,存在的時間不到1微秒。反氫原子則完全由反粒子——一個帶負電的反質子和一個帶正電的正電子組成,根據宇稱理論,氫原子比較穩定,反氫原子也應有等長的穩定存在時間。所以科研人員選用反氫原子來研究反物質。

　　反物質是由反粒子組成的物質,反粒子的質量等特性與組成普通物質的粒子相同,但電荷等特性相反。反氫原子是氫原子對應的反物質形態,氫原子由一個帶負電的電子和一個帶正電的質子構成,反氫原子則與它正好相反,由一個帶正電的正電子和一個帶負電的反質子構成。反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生爆炸,釋放出高能光子或伽馬射線,能量釋放率要遠高于氫彈爆炸。

　　此次歐洲核子研究中心採用了先進的反物質捕捉技術,捕捉器每次捕捉到的反原子數量增加了5倍。科研人員相信,如果困住反氫原子的時間足夠長的話,就可對反物質深入進行一係列基礎研究,如研究電荷——宇稱——時間逆反理論,反氫原子在冷卻到一定溫度時的重力效應。

　　反物質概念是英國物理學家保羅‧狄拉克在20世紀30年代提出的。1932年美國物理學家卡爾‧安德森在實驗中證實了正電子的存在。隨後又發現了負質子和自旋方向相反的反中子。2011年5月初,中美兩國科學家合作發現了迄今最重的反物質粒子——反氦4。

　　正反物質的不對稱疑難,是物理學界所面臨的一大挑戰。科學家認為,在宇宙誕生的大爆炸中產生了等量的物質與反物質。後來,由于某種原因,大部分反物質轉化為物質。再加上有的反物質難于被觀測,所以,人們觀察到的世界主要是由物質組成。研究反物質原子的特性、比較它們與普通原子在物理規律上是否對等,有助于解開疑問。 (郭林）