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反物质,一个看不见的宇宙

2011-06-22
反物质,宇宙起源,反粒子
反物质,一个看不见的宇宙
2011-06-21 作者:李文   发表时间:2011-06-21   摘自:新华网 来源:广州日报
  有科学家认为,150亿年前的大爆炸中,形成了一正一反两个宇宙。正宇宙就是我们目前生存的宇宙,而反物质就是我们目前无法看得见摸得着的另一个世界。那么,这个反物质世界究竟存不存在,如何把它搜寻出来,一直是学界难题。

  最近,美国“奋进”号航天飞机向国际空间站运送了一个独特的太空粒子探测器,科学家们试图用它去寻找宇宙中可能存在的反物质以及暗物质。为此,记者采访了中山大学参与该项目的科研工作者,揭开宇宙反物质的神秘面纱……

  寻找反物质,验证宇宙起源

  按照我们现有的宇宙起源理论,大爆炸之初,宇宙向着一正一反两个对立的方向发展。从科学家们构拟的图像来看,正反两个宇宙好像从中间一个原点向左右扩散开来的两片蝴蝶翅膀。物质宇宙的对立面,仿佛镜像一般,有一个反物质的宇宙。

  在微观的粒子层面,也存在着这种对称。如今我们所熟知的组成物质的基本粒子,如电子、质子、中子等,都有与它们相反的粒子,它们在质量上、样子上与它对应的粒子一模一样,但所带的电荷正负恰恰相反。这些相反的粒子就称为反粒子,如反电子(即正电子)、反质子、反中子等。物理学家根据反粒子理论,提出了反物质假说,但是否真有反物质,至今仍是一个谜。因为粒子与反粒子是一对冤家,碰到一起会同归于尽,化作一束强光,连一点“尸首”都不留下,这种现象我们称之为湮灭。在大爆炸后,“蝴蝶”的另一片“翅膀”——反物质组成的宇宙神秘消失了。它去了哪里?

  目前,许多反粒子已可以在实验中造出来。现在的正负电子对撞机就是利用加速器来获得人工反电子的。科学家还通过加速器获得了反质子、反中子和其他更小的反粒子。物理学家们认为,既然有反粒子,就应该有由基本的反粒子组成的反物质,如由两个反中子、两个反质子和两个正电子组成的反氦。反氦原子核如今是研究者们的重点搜索对象。

  科学家一直盼望能找到反物质的“遗孤”,从而去证实或者推翻我们对宇宙起源的理解。反物质一靠近地球就湮灭了,那么在茫茫太空能找到吗?于是,一个大胆的探测项目诞生了,这就是著名的“阿尔法磁谱仪太空粒子探测项目”,简称AMS。这是物理学家丁肇中17年来唯一领军的项目,也可谓是当今粒子物理学界最前沿的实验。

  如何寻找?放块“大磁铁”到太空

  AMS项目启动于1994年。那时美国国家航空航天局(简称NASA)花了很多钱来运作国际空间站,希望能进行一些有分量的科学研究。这时,丁肇中教授的一个“疯狂”想法传到了NASA局长戈尔丁的耳中:他想放一块大“磁铁”到太空,去探测宇宙中的反物质。这个想法太有创意了!戈尔丁当即找来丁肇中,两人一拍即合,商定由NASA负责送“磁铁”上太空,其他的研究经费、科学实验等则由丁肇中负责。项目本身的巨大吸引力和丁肇中教授本人的号召力,很快让他在全世界找到合作团队。

  1998年,第一代阿尔法磁谱仪登上太空,短短10天的数据收集,就取得了太空粒子研究方面的重大发现。在这之后,二代磁谱仪的改良研发工作紧锣密鼓地进行。直到今年5月16日,改进后的AMS-02最终随着奋进号发射升空,整个项目历时17年,耗资20多亿美元。美国的《纽约时报》称这个项目是“有史以来最昂贵的科学实验之一”。

  AMS项目台湾团队主持人、台湾“中央研究院”院士、粒子物理专家李世昌教授在接受本报专访时表示,5月19日,安装好的AMS-02已经开始有条不紊地运转,从太空收集到的粒子数据已经开始源源不断地传回,让粒子物理学家们眼前发亮的粒子数据已经开始出现。“对我们而言,真正的工作才刚刚开始。”李世昌教授说。

  探测器守株待兔 时刻“恭候”反粒子

  有人说AMS-02看上去有点像是一摞垒砌起来的面包圈,其实它是永久磁铁。这个重达7吨,长4米、宽3米、高约5米的大个头人造磁铁产生的磁力超强,据说是地球磁场的1.7万倍。这样的体量,也让它能够探测更多的太空粒子。我国中科院电工所对磁体系统的精密设计让这个大磁场内部的磁性很强,外部却很弱,如此一来,空间站的运行就不会受这个大磁场的影响而左摇右摆。

  据中大AMS团队的专家介绍,安装在空间站的AMS可谓是守株待兔,时刻等着宇宙各种粒子穿过磁场内部。AMS探测器含有五个子探测器,其中一个是用于探测反物质的,它可以辨别粒子是否带电荷,带的是正电荷还是负电荷。如果反氦原子核穿过,会被敏感地捕捉到。

  中山大学AMS团队技术负责人何振辉教授称这是一个“大海捞针”的过程,他说,丁肇中先生曾将穿过AMS的太空中形形色色的粒子形容为一场场“大雨”,而仪器所要过滤的正是“雨滴”中异常的闪光点。“这捞出的针会是两头?还是三头?都还很难讲,但我们充满期待。”

  畅想:

  正反物质相撞或带来能源开发前景

  广东省政府为该项目投入巨资。中山大学的四个学院参与到这个项目的研发工作中,并研制了硅微条轨迹探测器的热控系统,简称“TTCS”。目前,整个热控系统运转正常,对整个探测器的正常运转起到了很好的保障作用。然而,我们为什么要到太空寻找反物质粒子?它跟我们的日常生活有关系吗?

  “反粒子”已应用于肿瘤治疗

  李世昌院士说,目前有一种新技术在逐渐被广泛使用——正电子断层造影。这一技术利用的就是反粒子的一些原理,来精确标示人体内的癌细胞。相比目前其他的确诊手段,正电子断层造影能更清晰地让医生比对出病人在治疗前后癌细胞控制情况的好坏。

  “不少医生在使用这个设备,但对其背后有关粒子物理的东西却不甚了解。”李世昌说。他指出,1928年狄拉克提出反粒子理论,1932年安德森从宇宙射线中发现电子的反粒子——正电子,但他们都没想到,在2000年前后,人类已可以将它用在癌症诊断上。此外,目前用高能量光子照射肿瘤、杀死肿瘤细胞的尝试也被认为好于γ射线,它能更精准地杀死癌细胞,而且对肿瘤周围的正常组织的副作用大大降低。

  正反物质相撞能产生巨大能量

  未来或能被利用

  中大参与该项目的吕树申教授则畅想,在未来,如果有办法捕捉到反物质,比如大胆想象能将“反粒子”存放起来,它和正粒子相遇湮灭的一刹那,会释放出巨大的能量。“现在都在开发核能,核能看起来已经很了不起了,但是这种正反物质相遇所产生的能量,会不会被人类利用,给人类带来新的能源呢?大胆畅想一下,倒也不妨。”吕树申说。


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