2010年11月24日 星期三

打開研究宇宙大門 首次捉住反物質

一個稱為光明會的古老地下組織,長期與天主教為敵,從歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞器(Large Hadron Collider, LHC),盜取了 0.25 公克的「反物質」,預備炸毀梵蒂岡,同步教廷的內奸裏應外合,綁架主教、毒殺教宗。這是達文西密碼作家丹布朗 (Dan Brown) 在「天使與魔鬼」一書裡的情節,隨著達文西密碼的走紅,這本書也被好萊塢拍成電影,「反物質」這個名詞因而傳開。

那麼小量的反物質為什麼能炸毀梵蒂岡,因為反物質極不穩定,與一般的物質一旦結合,會產生巨大的爆裂,至少在理論上如此。唯實際上目前所能製造的反物質極為微量,所維持的時間也極短,產生的能量不足以熱一杯茶。但在歐洲核子研究中心的科學家們,卻製造出 38 個氫氣的反物質原子,而且維持六分之一秒之久,遠超過以前的研究結果,也成為第一次「捉住」的反物質,成果在自然雜誌 (Nature Magazine) 發表。

什麼是反物質 (Antimatter)?簡單的說,一樣東西的存在,必有一樣正好相反的東西存在,好像鏡子裡外兩面,以鑄造硬幣為例,在金屬板上打出一個硬幣,金屬板上就留下一個洞,如果說硬幣是物質,金屬板上的洞就是反物質。在現實世界裡都是實體的物質,看不到反物質,因為反物質並不存在於自然界,只能以人工方式製造出來,現在歐洲核子研究所的大型強子對撞器,就是方法之一。

對撞器讓原子裡的粒子以接近光速對撞,結果產生了帶正電的反電子 (Positron)、與帶負電反質子 (Antiproton),經科學家結合成為反氫原子 (Antihydrogen)。氫原子的結構最簡單,由一質子 (Proton) 外圍一個電子 (Electron) 組成,質子帶正電、電子帶負電,如果質子帶負電、電子帶正電,就成為一個「反氫」的原子。上圖(點選放大)左側是正常的氫原子結構,右側則是反氫的原子結構,兩個原子結構相同,只是質子與電子的電極對調。

在 140 億年前,宇宙僅是一小塊體積,但密度與溫度都非常高,突然一聲巨響,體積內的粒子與反粒子配對結合,產生了極大的能量,然後溫度急速下降,粒子與反粒子的結合漸緩,使得極少量的粒子找不到反粒子配對成為剩餘物,就逐漸發展成物質,形成包括地球在內的宇宙,而爆炸所產生的能量、以及陷在裡面的反粒子,就轉變成輻射線分散宇宙各處。這就是科學家根據愛因斯坦相對論的質量與能量交換定理,勾畫出來的宇宙誕生:大爆炸 (The Big Bang)。

研究反物質的目的,是試圖找出宇宙誕生的秘密,也就是證實大爆炸的理論,如果能把物質與反物質做一次結合,找到大爆炸以後的「剩餘物」,那就證實了大爆炸的理論了。當然為了安全,大爆炸僅能以極小規模在實驗室裡做,事實上以現在的技術也製作不出多少反物質,要大爆炸也不可能,距丹布朗小說裡的場景,還差得遠呢。

科學家在 1995 年已經能製造少量舜間即逝的反氫原子,2002 年又有科學家提出了低能量製造大量反氫原子的方法,這次實驗是在絕對溫度 40°K (-233°C) 之下,把一串反質子注入有 4 萬個粒子的雲霧之中,然後輕輕送進數以百萬的反電子群裡,一共約合成了 10 萬個反氫原子。然後加以強力磁場,最後吸引住 38 個反氫原子,歷經六分之一秒之後,就逃脫與氫原子結合,產生了一個小小的大爆炸。

科學家對這一成果興奮不已,期望研究宇宙的大門從此打開,現已有好幾組科學家做這方面的研究。至於為什麼要研究宇宙的誕生,這與我們現實生活遠得不能再遠,我只想到一個理由:因為他們是科學家。

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