解放日报:反物质是物质世界的镜像(记者 俞陶然)

北京时间今天凌晨,国际顶尖学术期刊《自然》发表中科院上海应用物理所研究员马余刚与美国布鲁克海文实验室研究员唐爱洪领衔取得的成果:STAR合作组的中外科学家在相对论重离子对撞机(RHIC)上,首次测量到反质子之间的相互作用力,对人类理解反物质的形成机制起到了关键作用。《自然》审稿人认为,“这篇文章很可能是本年度最重要的5篇物理学论文之一”。

模拟宇宙大爆炸研究反粒子

在一些科幻和童话作品里,人们构想出一种“镜像世界”,它和现实世界正好相反,其他性质则完全相同。其实,物理学家早已发现真实的“镜像世界”,它们就是反物质。1928年,英国物理学家狄拉克根据相对论方程和量子电动力学方程,推测世界上存在反物质——构成它们的基本粒子与物质的基本粒子质量相同,但电荷相反。这个大胆猜想后来得到实验证实,狄拉克也因此获得诺贝尔物理学奖。

如今,构成物质的各种基本粒子的反粒子,几乎都已被科学家找到。物理学界认为,在宇宙大爆炸初期,物质与反物质几乎是对称产生的。但令人不解的是,在我们已观测到的宇宙中,几乎全部是物质,反物质极其稀少。这种“对称性缺失”,至今仍是个谜。

为深入研究反物质,来自12个国家的52家科研单位组建STAR合作组,利用美国布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机开展研究。

物质与反物质相互作用对称

为测量反质子之间的相互作用力,研究人员利用两束接近光速的金原子核对撞,形成类似于宇宙大爆炸之后几个微秒时刻的物质形态:由基本粒子夸克、胶子组成的等离子体,温度大约是太阳中心的25万倍。随后,夸克—胶子等离子体迅速冷却,产生基本等量的质子与反质子,为研究反质子间的相互作用力提供了良机。

过去3年多,马余刚的课题组与唐爱洪等合作,指导上海应用物理所博士研究生张正桥做了艰难的数据分析工作。在此基础上,他们提取出2个重要参数:反质子—反质子的有效力程和散射长度,实现了对反质子间相互作用力的测量。

研究表明,在实验精度内,反质子间相互作用力与质子间相互作用力没有差别,都具有在一定的短程内相互吸引的特性。“也就是说,物质与反物质在相互作用方面是对称的,互为镜像关系。”今年发表的另一项研究成果表明,粒子与反粒子在质量、电荷上满足CPT对称性。马余刚等人的研究则表明,粒子与反粒子在相互作用力上也满足CPT对称性。

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反物质的潜在应用:能源和武器

目前,反物质研究还处在纯理论阶段,但未来,人类可能将反物质用作能源和武器,使其发挥巨大的应用价值。

马余刚介绍,物质和反物质相遇后会“湮灭”,即两者都不复存在,在相互湮灭过程中,会释放出巨大的能量。如果人类未来能对这种能量予以控制,就可能制造出推进力更强、重量更轻的航天发动机。在好莱坞科幻影片《星际迷航》中,反物质正是星际飞船的燃料,推动航天器在各个星球间穿梭。由于少量物质与反物质湮灭时就会释放很大能量,反物质也被视为一种潜在的新能源。

正反物质的湮灭还会导致爆炸,并释放多种具有杀伤力的射线,因此“反物质武器”早已引起军事界兴趣,也成为科幻小说中一种比核弹更可怕的武器。在丹·布朗写的《天使与魔鬼》里,恐怖分子企图从欧洲核子中心盗取0.25克反物质,以炸毁整座梵蒂冈城。

宇宙中是否存在反物质,甚至存在反物质天体和反物质星系?这也是科学界感兴趣的问题。1997年,美国天文学家宣布,他们利用伽马射线探测卫星发现,在距银河系约3500光年的地方,有一个不断喷射的反物质源,形成高达2940光年的“反物质喷泉”。2011年,一台反物质探测仪被送上国际空间站,由诺贝尔奖得主丁肇中主持的阿尔法磁力分光仪实验就此展开。这项研究已有16个国家的科学家参与,投入资金高达1000多亿美元,希望在宇宙中找到反物质存在的确凿证据。(原载于2015年11月5日《解放日报》10版)