反物質(zhì)：一個(gè)奇異的話(huà)題
CERN的反質(zhì)子收集器（AC）和反質(zhì)子存儲器（AA）裝置
2002年6月31日，一個(gè)科學(xué)界關(guān)注的日子。東南大學(xué)與諾貝爾物理獎獲得者、著(zhù)名科學(xué)家丁肇中簽署合作協(xié)議，參與AMS（Alpha Magnetic Spectrometer）—03型探測器的研究，成為目前我國唯一加入這一世界最前沿科研項目的高校。這也引起了一個(gè)引人入勝的話(huà)題：有反物質(zhì)宇宙存在嗎？
從哲學(xué)角度來(lái)講，這個(gè)問(wèn)題很容易回答。我國古代的太極圖似乎也暗示了它的存在，部分天文學(xué)家也認為有存在的可能，但現代天文學(xué)還拿不出令人信服的證據。否定反物質(zhì)的人很多，美國宇宙學(xué)家施拉姆（Schramm）說(shuō)：“大多數理論家的直覺(jué)，不存在反物質(zhì)。這意味著(zhù)如果你找到它，那是一個(gè)偉大的發(fā)現，證明這些理論家都是錯誤的。但是最大的可能是，這意味著(zhù)你找不到它。”
目前，由丁肇中主持的這項研究已有16個(gè)國家的科學(xué)家參與其中，投入的資金更是高達1000多億美元。許多科學(xué)家表示：只要能發(fā)現宇宙反物質(zhì)的存在，那么這將是當之無(wú)愧的諾貝爾獎。該探測器將于2005年發(fā)射升空并永久停留在太空，東南大學(xué)還將建立一個(gè)數據接收分析中心和培訓中心作為配套項目。丁肇中認為，如果反物質(zhì)確實(shí)存在，當正物質(zhì)與反物質(zhì)碰撞時(shí)可以產(chǎn)生巨大的能量。他現在所主持的“尋找宇宙中的暗物質(zhì)和反物質(zhì)”的研究已進(jìn)行多年，目前已取得一些重要成果。“但是，從這一領(lǐng)域發(fā)展的歷史來(lái)看，人們要有思想準備，也許我們會(huì )發(fā)現意想不到的東西，與原先想研究的東西毫無(wú)關(guān)系。”丁肇中很慎重地表示。
從拉普拉斯大預言談起
天體有巨大的引力，在巨大的引力作用下，會(huì )發(fā)生各類(lèi)反應，并發(fā)光發(fā)熱。物極必反，拉普拉斯（P?S?Laplace）曾經(jīng)大膽預言：宇宙中最大的天體有可能是看不見(jiàn)的。當引力隨質(zhì)量增大時(shí)，天體會(huì )變成一個(gè)一無(wú)所有的區域，既不發(fā)熱，也不發(fā)光，現在我們稱(chēng)之為“黑洞”（Black Hole）。因此宇宙更多的是由不可見(jiàn)的暗物質(zhì)或反物質(zhì)組成，我們肉眼和天文儀器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙結構，這些物質(zhì)只占宇宙總體的10％，90％的物質(zhì)是以暗物質(zhì)或其他結構形式存在。顯而易見(jiàn)，對可見(jiàn)物質(zhì)的巨大引力的存在表明了暗物質(zhì)或反物質(zhì)的存在?？墒俏覀冇霉鉄o(wú)法探測到，用紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)和X光都無(wú)法探覓到它們的足跡。
同樣的，對應著(zhù)現存的星系結構體系，有由相反的反宇宙結構體系存在嗎？其實(shí)早在1898年，一位英國物理學(xué)家就提出：與物質(zhì)存在一樣，有一個(gè)鏡像對應的反物質(zhì)存在。受當時(shí)科學(xué)水平和試驗條件的限制，這個(gè)反物質(zhì)概念沒(méi)有一點(diǎn)事實(shí)依據，因此在宇宙深處存在由反物質(zhì)組成的宇宙恒星云只能屬于純粹意義上的假說(shuō)。
1997年科學(xué)家宣布發(fā)現了“銀心反物質(zhì)噴泉”極大地震撼了整個(gè)物理學(xué)界，使科學(xué)家們尋找反物質(zhì)的熱情一下子高漲起來(lái)。
1998年6月3日，由丁肇中教授發(fā)起的帶有全球意義的尋找宇宙反物質(zhì)事件，使得這一領(lǐng)域一度成為全球科學(xué)家最為關(guān)注的焦點(diǎn)。
制造反物質(zhì)
1928年，英國年輕的物理學(xué)家，諾貝爾獎獲得者狄拉克（P·A·M·Dirac）首次預言存在反粒子。1932年，美國科學(xué)家卡爾·安德孫（C·D·Anderson）等在云霧室里研究宇宙現象過(guò)程中發(fā)現了反電子，并將其正式命名為“正電子”，狄拉克的預言得到科學(xué)實(shí)驗的證實(shí)。
狄拉克還預言了其它反粒子的存在。物理學(xué)家已先后制造出多種反粒子和反原子核。例如：1955年美國加利福尼亞州立大學(xué)伯克萊分校的物理學(xué)家張伯倫（O·Chamberlain），使用高能質(zhì)子同步穩定加速器，用高能質(zhì)子去轟擊銅，結果便制造出了反質(zhì)子。接著(zhù)第二年發(fā)現了反中子，稍后又有反中微子、反介子、反超子……，其中反西格馬超子是我國科學(xué)家王淦昌在10吉電子伏同步穩相質(zhì)子加速器上發(fā)現的。
有反粒子必然有反物質(zhì)，但制造反物質(zhì)并非易事。事實(shí)上，直到1996年初，人類(lèi)才在日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）首次成功制造一種反物質(zhì)---9個(gè)反氫原子。事隔一年，美國費米(Fermi)加速實(shí)驗室也成功制造了7個(gè)反氫原子……高能物理的發(fā)現激勵著(zhù)更多的科學(xué)家從事這項重要的基礎研究。
目前科學(xué)家們制造的反物質(zhì)雖然不是很多，存在時(shí)間還不到400億分之一秒，但是科學(xué)家們已經(jīng)見(jiàn)到了曙光。如果反氫原子是氫原子的鏡像的話(huà)，宇宙中就有可能存在反物質(zhì)天體，雖然它的光譜和普通星系的光譜一樣，令我們無(wú)法區分它們。自然地，茫茫宇海成為科學(xué)家尋找反物質(zhì)的理想場(chǎng)所。
奇妙的反物質(zhì)世界
愛(ài)因斯坦早年可能也意識到了反物質(zhì)的存在，從他的研究中我們會(huì )發(fā)現一些蛛絲馬跡。他曾建立了一個(gè)物質(zhì)總能公式：E=√C2P2±M2C2
根據這個(gè)公式推算，物質(zhì)的總能量有正負兩個(gè)值，這意味著(zhù)，世界上存在負物質(zhì)。我們更關(guān)心的是，有反物質(zhì)世界存在嗎?這不禁會(huì )使人聯(lián)想到美國電影《費城實(shí)驗》，其實(shí)這個(gè)實(shí)驗是有生活依據的。
1943年12月，美國海軍在費城進(jìn)行了一項秘密實(shí)驗(The Philadelphia Experiment)，試驗成功地將以艘驅逐艦及全體船員投入到另一空間。在實(shí)驗過(guò)程中，實(shí)驗人員啟動(dòng)脈沖和非脈沖器，使船只周?chē)纬闪艘粋€(gè)巨大的磁場(chǎng)。隨后整條船被強磁場(chǎng)所產(chǎn)生的綠色煙霧包圍著(zhù)，船只和船員也開(kāi)始從人們的視線(xiàn)中消失。軍方在停止實(shí)驗后，卻驚奇地發(fā)現他們的驅逐艦在眨眼之間已經(jīng)駛到了遠在470公里開(kāi)外的諾?？耍∟orfolk）碼頭。這個(gè)實(shí)驗令很多科學(xué)家目瞪口呆。相傳，此后一些船員身上仍留有實(shí)驗的反應，不論在家里，在街上，在酒吧間或飯店里，都會(huì )突然地消失又重現，讓旁觀(guān)者驚訝不已。
參與這項實(shí)驗的吉索普（Morris K?Jessup）博士認為，強烈的磁云能夠重新排列人類(lèi)和物質(zhì)的分子結構，使其進(jìn)入另外的時(shí)空。
費城實(shí)驗的進(jìn)行在科學(xué)上具有深遠的意義，它不僅證實(shí)了自然界中的確有另外的空間存在，同時(shí)也表明了將人類(lèi)及裝備暫時(shí)投入另一空間的可行性。
可是要是我們找到了反物質(zhì)世界，并且走了進(jìn)去，那才真正發(fā)現一個(gè)奇妙的世界呢。所有的物理定律都要翻個(gè)個(gè)兒，正如科幻小說(shuō)家描寫(xiě)的那樣，在反物質(zhì)世界里，力的作用恰好相反，你如想扣起反物質(zhì)物體，就得把物體向下按；反物質(zhì)做成的釘子，先要對準墻向外拔它，它才會(huì )鉆進(jìn)墻里。我們的基礎理論仿佛在一夜間就變了個(gè)樣，誰(shuí)也不敢想像在這樣的世界里究竟會(huì )發(fā)生什么或者正在發(fā)生什么。
反物質(zhì)引發(fā)的大爆炸
由于反物質(zhì)與物質(zhì)是水火不相容的，一旦它們相遇，兩者便很快消失，同時(shí)釋放出巨大的能量和比普通可見(jiàn)光強約25萬(wàn)倍的伽瑪射線(xiàn)。這就為那些研究地球上神秘大爆炸的西方科學(xué)家找到了借口。
銀河系中央，物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅時(shí)產(chǎn)生的γ射線(xiàn)爆,康普頓衛星1997年攝。
1908年6月30日凌晨7時(shí)17分，在西伯利亞通古斯發(fā)生了一起相當于數百顆原子彈當量的爆炸，其規模之壯觀(guān)使得遠在倫敦的人連續兩個(gè)晚上能夠看到北部天空所呈現的紅色，盡管科學(xué)家分別在1921年、1927年和1929年對該地區進(jìn)行了多學(xué)科的聯(lián)合考察，但令人失望的是，該地區沒(méi)有發(fā)現任何隕石和其它墜落體的殘片。
1979年9月22日，美國的軍用衛星“貝拉號”在非洲西南拍攝到了一次“強烈的大爆炸”的照片，并于1981年初再次在該地區拍攝到了這一類(lèi)似“爆炸”現象。令人大惑不解的是：在此之前，只有美、蘇 、英三國擁有核能力，且早在1963年三國就簽署了地下核試驗條約，而“貝拉號”的發(fā)射目的正在監視簽約國的，那么是誰(shuí)跑到如此遙遠的地方進(jìn)行核試驗的呢?
通古斯大爆炸是反物質(zhì)引起的嗎?
最近的一次發(fā)生在1984年4月29日夜間，荷蘭航空公司的868班機在22時(shí)30分，日本航空公司第36次航班在23時(shí)15分左右，都在途中發(fā)現了神秘的蘑菇云，并且還伴隨著(zhù)強烈的白光。同一條航線(xiàn)上另外兩架航班也目睹了這神秘的一幕?？墒切l星云圖則說(shuō)明天氣情況良好。更不可思議的是，調查表明爆炸空域受到了明顯的放射污染。
所有這一切，一些科學(xué)家都把它歸結為反物質(zhì)爆炸，在未找到宇宙反物質(zhì)之前，誰(shuí)也無(wú)法找到反駁他們的理由。
黑洞與反物質(zhì)通道
根據廣義相對論引力場(chǎng)方程推出：宇宙中的黑洞是連接兩個(gè)分離時(shí)空區的隧道，假如反物質(zhì)世界處于另一時(shí)空，那么黑洞就可能是反物質(zhì)世界的通道。但對于黑洞內部我們仍然一無(wú)所知，確切地說(shuō)，黑洞內部就是一個(gè)反物質(zhì)世界，而遠非“黑洞無(wú)毛理論”(No Hair Theorem)所說(shuō)的那么簡(jiǎn)單。
有人把反物質(zhì)世界和物質(zhì)世界關(guān)系用一張紙條來(lái)加以證明。取一張小紙條，完好地把兩頭粘連起來(lái)，試想，如果有一只螞蟻在外表爬行，它怎樣才能進(jìn)入另一面呢？有兩個(gè)辦法：一是爬過(guò)紙帶邊緣；一是在紙帶上打個(gè)洞?？墒侨绻覀儼鸭垘У囊活^旋轉180°再粘連上，紙帶的兩面就變成了一面，螞蟻只要在紙帶上爬行就可以隨意地出入紙帶內外。如果宇宙是一個(gè)整體，我們只要進(jìn)入黑洞，就可以進(jìn)入反物質(zhì)世界?？墒侵两?，我們還從未聽(tīng)人說(shuō)起曾到黑洞旅游過(guò)。
