反物质

这是一本科学爱好者和科幻小说迷们不可不看的作品。
　　——约翰·格里宾  BBC《焦点》杂志

　　对于那些希望了解有形世界的另一面的人来说，这本书清晰地描绘出了那一方奇异的境界。
　　——《月球与行星信息公告》

黑洞、弯曲时空、奇异粒子、夸克……物理学的所有令人费解的发现中，反物质的存在无疑是很神奇的一个，也给科幻作家们提供了很好的创作空间。本书就是一本关于反物质相关知识的译著。本书以反物质炸弹为切入点，结合科学实验、实例及现象，用通俗的语言介绍了人类对反物质逐步深入的研究历程，让读者能清楚地了解反物质的存在、产生、湮灭、存储、利用及影响等科学知识，是一部系统而通俗的反物质科普书。

弗兰克·克洛斯（FrankClose），英国人，牛津大学物理学教授，埃克塞特大学研究员，曾任卢瑟福·阿普尔顿实验室的理论物理学部门负责人，曾荣获了大英帝国官佐勋章（OBE）、英国物理学会开尔文奖。他还担任过欧洲核子研究中心公共教育和通讯部的负责人，因其在促进物理学的公众理解和科普写作方面的突出贡献，他获得了英国媒体评出的2007年佳科普写作奖（“SygentaPrize”）。他的其他作品有：《路西法的遗产》（2000）、《奥德赛粒子》（2002）、《虚空》（2007）等。

　　羊奕伟，四川人，博士，毕业于清华大学工程物理系。现就职于中国工程物理研究院，研究领域主要为核物理及高能物理。

1　反物质：真实或者虚幻
1.1　反物质会撞上地球吗
1.2　强大的反物质
1.3　反物质的秘密
1.4　天然反物质
2　物质的世界
2.1　物质和反物质
2.2　光谱和量子电子
2.3　自旋的电子
2.4　E代表爱因斯坦，并且E=mc2
３　石碑
3.1　保罗·狄拉克
3.2　合二为一
3.3　无限海洋
3.4　什么是正的电子
4　宇宙新发现
4.1　发现正电子
4.2　布莱克特的创造
4.3　地球上的正电子
5　湮灭
5.1　既非物质亦非反物质
5.2　更多反粒子
5.3　夸克和反夸克
5.4　夸克遇上反夸克
6　储存反物质
6.1　无坚不摧
6.2　储存反质子
6.3　潘宁陷阱
6.4　陷阱中的反质子
6.5　反氢和反物质工厂
6.6　正负电子对撞机
7　镜像宇宙
7.1　时光倒流？
7.2　奇异粒子的奇异行为
7.3　不要和反外星人握手
8　万事万物如何存在
8.1　反物质消失之谜
8.2　重演大爆炸
8.3　中微子
8.4　并不完美的启示录
9　揭秘
9.1　反物质迷信
9.2　反物质的威力
9.3　大块反物质
9.4　炫酷的反物质炸弹
9.5　反物质：勇往直前
9.6　反物质：从科幻到现实
9.7　反物质工厂
附录
附录 1　反物质的代价
附录 2　狄拉克密码
尾注
书目

万世之初，空无一物，“虚空的表面只有黑暗”。突然间发生了能量爆炸：“让这里有光，于是就有了光”，虽然我不知道能量从何而来。
　　我只知道接下来发生的事情：能量凝聚成物质以及它的神秘反面——反物质，达到一种完美的均衡。我们见惯了普通的物质，它们构成空气、岩石以及各种生物。但我们却不那么了解物质的忠实反面，它同物质在所有方面都完全一致，只是其中原子内部深处的一切都是相反的。这就是反物质——物质的对立面。
　　现在，反物质并不是普遍存在的——至少在地球上是这样——它在宇宙中莫名其妙地消失了。但是它的存在是毋庸置疑的，因为现代科学家已经成功地制造出了少量的反物质。
　　一旦反物质与物质相接触，在电光火石之间就会相互湮灭，并且释放出禁锢了数亿年的所有能量。因此，反物质被认为是新世纪的一项前沿技术，可以作为一种完美的能源。当然，它这种可以消灭物质于无形的潜力，更使得它可以作为一种具有巨大杀伤力的终极武器。
　　至少这种武器论在文学界和网络上甚嚣尘上，甚至美国空军也持相似观点。那么，反物质真的是这样吗？
　　反物质：真实或者虚幻
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　　无坚不摧的力遇到坚不可摧的体——这是一种无限的概念：当两个无限相比较时，哲学家们对这种悖论也十分恼火，只能说：“我的无限比你的无限更大”。然而，这里用来比较的东西是其他的物质，准确地说是所谓的反物质。科幻小说作家对反物质可谓青睐有加，认为它是一种真实存在，而其中的内涵妙不可言。
　　反物质是物质的一种奇怪的颠倒影像，就像我们所说的半斤八两，只是其中的左变成了右，而正变成了负。就像铸件取出之后模具依然存在，反物质和物质就是实体的阴阳两面。当海边的孩童在坚固的沙滩上挖洞取沙，堆砌成美丽的沙堡，这个沙堡就象征着物质，而沙滩上留下的沙洞象征着反物质。
　　假设，一个物质存在突然遇到了反物质的自己，它们的参数是完全互补的，最终会相互协调然后消亡。反物质的魅力就在于，它会在一瞬间摧毁物质。反物质顾名思义，真的可以“反”物质。
　　在80年前，反物质理论被第一次提出。而在75年前，第一个反物质被发现了，那就是“正电子”。
　　值得庆幸的是，反物质极其罕见，在现实中几乎不存在，而微量的反物质摧毁物质时，反物质本身也被摧毁了。所以我们今天还快乐地生活在这地球上。人们发现的首个反物质，只是摧毁了一个原子里的某个电子而已。我们所见的整个宇宙之中，通常存在的都是物质而非反物质。看起来，反物质似乎在大爆炸初期就被消灭掉了。经过长期的物质与反物质的湮灭之后，剩下的残余部分才形成了今天的物质宇宙。而湮灭的结果就是之后140亿年中遍布宇宙的电磁辐射和“微波本底辐射”。坏女巫死了，物质获胜了；在物质和反物质这两种势均力敌的无限之中，物质的无限更大。
　　但要是有些反物质逃过一劫，在宇宙的某个角落里潜伏着，又恰恰被在宇宙中漫游的我们遇到了；抑或是宇宙射线鬼使神差地又形成了一些反物质：会发生什么事情呢？一辆卡车大小的反物质，其爆炸威力足以使整个世界动摇。如果真的发生了，反物质就成了我父亲那个问题的真实例子，但是还好它不会扩散，虽然我曾经一度非常担心它有这种能力。反物质确实会摧毁物质，但代价是同时摧毁自己；就像癌细胞，杀死了宿主之后自己也会死亡。我们世界中任何物质的湮灭，都会对应着相同量反物质的消失。湮灭的结果可能是一束射线，也许是伽马射线，从湮灭处以光速向外发射，而反物质的威胁就此解除了。这就是为什么没有反物质存留——至少我们周围没有——的原因：所有的反物质都被摧毁了，获胜的是物质一方。
　　所以反物质并不是一个恐怖版本的“九号冰（ice-nine）”，这种冰来自库特·冯尼古特（Kurt？Vonnegut）的小说《猫的摇篮》（Cat’sCradle），是一种水的形态，它会将遇到的所有液体变成凝冻的固态。小说中它能够首先作用于一个小水坑，接着是小溪、河流，最后将整个世界的海洋都凝冻成“一个巨大的果冻”。而反物质的作用范围是有限的。虽然如此，它会摧毁所接触的任何物质，爆炸释放出的能量远超出我们现有的任何东西。
　　反物质会撞上地球吗
　　如果在宇宙的某个角落存在着反物质，那么你可能会想，某天它会不会撞上地球。如果在地球的40亿年历史中，曾经有反物质撞上过，那么所有的迹象都应该已经消失了。陨石落下会有陨石坑，其中还能找到一些外星物质；但是反物质不行，它会在一瞬间消失掉。
　　反物质来袭的唯一证据只能是其发生的巨大爆炸，但最近的几百万年以来似乎没有发现这种证据。然而，仅仅在一百多年前的1908年6月，发生了一件人类至今无法完全解释的事情，其被反物质爱好者们称为是外星反物质碰撞地球的最近的例子。
　　在莫斯科以东约1000英里处，北至北冰洋，南至蒙古，从乌拉尔到满洲里，是一片广袤的荒野之地，面积比整个西欧还大。这片遥远大陆的心脏地带是一条隐蔽的河谷——通古斯河，由通古斯人命名。
　　通古斯人是一个小族群，主要靠狩猎熊和鹿以及夏季放牧驯鹿为生。1908年6月30日，天空晴好，万里无云。早上8时，农民色梅洛夫正坐在他家的走廊上，突然天空中发生了一场巨大的爆炸。后来他告诉科学家，爆炸形成的火球光亮甚至盖过了太阳，而且又是如此炙热以至于他的衣服“几乎要贴着皮肤燃烧起来”，还将他邻居家的银器熔化了。更异常的是，经过科学家之后的调查，这次爆炸发生在距色梅洛夫约60公里之外。另一个农民利奇说，有一个巨大的火球“摧毁了森林、驯鹿和所有其他动物”。当他和邻居们跑去勘查时，发现驯鹿的一些肢体烧焦了，而其他部分居然完全不见了。
　　这个炫目的火球在几秒钟之间从东南部移动到了西北部。世界各处都探测到了其引发的震波，空气中的压力波传遍了整个俄罗斯和欧洲。在700公里以外都能看到这次爆炸，其引起的烟尘弥漫在空中，甚至导致太阳光散射到地球的另一面。在约1/4个地球周长之外的伦敦，半夜的天空变得像傍晚一样明亮，而白天则提前来临了。如果这次爆炸发生在美国的芝加哥上空，其光亮可以传播到田纳西、宾夕法尼亚以及多伦多，而发出的声音可以传到东海岸，而向南可以传到亚特兰大，向西可以传到落基山脉。直到两个月后，一切才基本恢复正常。
　　外太空的某种东西撞上了大气层。之前也发生过类似的事情，亚利桑那州的陨石坑可以证明这一点，它源自一块岩石——准确的说是一颗小行星撞上了地球。然而，著名的通古斯事件却不同，这种不同在其后数年被发掘出来。1927年，捷克斯洛伐克科学家库里克带领首个探险队进入了这片区域。如果这是一个太阳系的陨石碰撞事件，那么地面上应该有一些陨石掉下的痕迹。但是，现场没有发现任何陨石坑。他们发现，爆炸点的下方是一片巨大的沼泽平原，就像是有1000台推土机瞬间清理了上面的森林，形成了如同伦敦大小的一片平整的地基，而地基的周围是一个环形的炭化的树木群。在炭化群之外，树木像火柴棍一样地散开倒下，应该是被剧烈的飓风似的冲击波刮倒了。该地的生命体完全被摧毁，之后约1/4个世纪一直没能恢复。在此之后，人们曾将当地的土壤挖掘了超过30米深，但是没有找到任何陨石，也没有发现任何陨石落下来的证据。
　　那些当天撞上地球的东西，都在这薄薄的空气层中消失了。1965年，由一位物理学家、一位化学家、一位地质学家组成的三人小组检查了所有的证据，试图一劳永逸地判定当时到底发生了什么。他们找到了幸存的一些树木，其姿势很好地显示了当时冲击波袭来的轨迹。他们通过这些推算出了风的强度；同时核证，使得能让这些树木燃烧所需要的能量也被计算出来。根据记录，他们还发现地磁场被干扰了，而地震仪也记录下了其引发的地震强度。
　　他们拿到了爆炸当时的闪光强度和持续时间的报告，并将其引入计算模型之中。通过推算，这次爆炸在数秒之内释放了约1000万亿焦耳的能量，和整个英国一小时消耗的能源量相当，几乎等同于一次核爆炸。
　　当然，有人怀疑这次事件本身就是一次人为的核爆炸实验，但在1908年时，很多众所周知的核科学家还没有出生呢。如果真的是物质的内核发生了爆炸，那么必须有一些自然的诱因才行。通过分析爆炸得到的初步证据以及爆炸区域物质的神奇消失现象，和一种假设非常一致：罪魁祸首是一个反物质，其形态大约是1米见方的一块反岩石，它摧毁了包括原子核在内的一些东西。之后的内容中，在我们知道了反物质的一些性质后，我会再次重新审视这些证据。
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