研究歷史
2010年11月17日,歐洲核子研究中心的科學家們通過大型強子對撞機,已經俘獲了少量的反氫原子,這被視為人類研究反物質過程中的一次重大突破。
早在1995年,歐洲核子研究中心就首次製造出了9個反氫原子。但反氫原子只要與周圍環境中的正氫原子相遇就會湮滅,因此實驗室中造出來的反氫原子稍縱即逝,科學家們根本無從研究它的真面目。2002年,歐洲核子研究中心的實驗進一步表明,反氫原子可以大量製造,但如何讓它們存在時間長一點仍是難題。
因此,這次實驗成果的突破就在於,人工製造的38個反氫原子存在了大約0.17秒。這個時間在普通人看來也許非常短,但對科學家來說,已比先前有了實質性的延長,足夠他們進行較為深入的觀察和研究。
捕獲方法
歐洲核子研究中心介紹說,之所以能夠將反氫原子捕獲長達0.17秒,要歸功於一種特殊的磁場。在實驗室中,反氫原子是在真空環境裡製造出來的,正常情況下瞬間就會與正物質發生湮滅並消失。而這個強大而複雜的磁場會像陷阱一樣“拖延時間”,使反氫原子與正物質的接觸稍作延緩。
實驗顯示,利用這種磁場,可以將“牽制”反氫原子的時間延長到十分之一秒的量級,這對於觀察研究反氫原子來說已經“足夠長”。
最終,歐洲核子研究中心在製造出的數以千計的反氫原子中,成功地使其中的38個存在了大約0.17秒。
理論測算
丹·布朗在暢銷書《天使與魔鬼》中把反物質描述成人類目前所知威力最大的能量源。它能以百分之百的效率釋放能量,不造成污染,不產生輻射,一小“滴”便可維持美國紐約全天所需能量。
從理論上說,不到500克反物質的破壞力超過世界上最大氫彈的威力。
不過,研究人員首次捕獲的成果為38個反氫原子,持續時間為五分之一秒。這等數量的反物質不足以讓一隻100瓦燈泡發光二十億分之一秒,更別提用作劇烈炸藥。
杭斯特教授解釋道,研究人員掌握捕獲反物質技術後,今後可在具體操作程式層面加以“微調”,便有望製成數量足夠多、保存時間足夠長的反物質,為進一步研究打開一扇門。
持續捕獲
歐洲核子研究中心的科研人員2011年16月5日在英國《自然―物理學》(NaturePhysics)雜誌上報告說,他們成功地將反氫原子“抓住”長達一千秒的時間,也就是超過16分鐘,這有利於對反物質性質進行精確研究。
反氫原子是普通氫原子對應的反物質形態。反物質與普通物質相遇就會湮滅,此前製造出的反氫原子往往只能存在幾微秒的時間。2010年11月,歐洲核子研究中心利用反氫原子微弱的磁性,首次成功地用“磁場陷阱”束縛住了反氫原子,時間達172毫秒。
5日發表的新研究在束縛時間上取得了巨大突破。科學家在論文中說,他們在這一輪研究中,先後用磁場陷阱抓住了112個反氫原子,時間從1/5秒到一千秒不等。
分析還顯示,這次抓住的反氫原子大多數處於基態,也就是能量最低、最穩定的狀態。這有可能是人類迄今首次製造出的基態反物質原子。如果能讓反物質原子在基態存在10分鐘到30分鐘,就可以滿足大多數實驗的需要。
在這一輪研究中,科學家單次最多一次抓住了3個反氫原子。他們希望能將更多的反氫原子束縛較長時間,使測量數據在統計上更加精確。
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。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。
反物質至今都是物理學領域的一大謎團。現有理論認為,在宇宙誕生的大爆炸中產生了數量相等的物質和反物質。但在人們觀察到的宇宙中,物質占絕對主導地位。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,可能有助於解開上述疑點。
前景展望
有助破解宇宙起源之謎
愛因斯坦預言過反物質的存在。按照物理學家假想,宇宙誕生之初曾經產生等量的物質與反物質,而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。
然而,出於某種原因,當今世界主要由物質構成,反物質似乎壓根不存在於自然界。正反物質的不對稱疑難,是物理學界所面臨的一大挑戰。
反物質的發現,使人們聯想上世紀許多不解之謎,其中最為著名的莫過於“通古斯大爆炸”。1908年6月30日凌晨,俄羅斯西伯利亞通古斯地區遭遇從天而降的“火球”,大片原始森林頃刻化為灰燼。至於爆炸起因,一些人推斷是小行星撞擊,一些人猜想是反物質所致“湮滅”。