反物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)

反物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)

a：廣闊宇宙中許多未解的謎鼓勵著我們繼續(xù)探索。我們要討論的宇宙反物質(zhì)和暗物質(zhì),就是其中兩個未解之謎。這里我們著重談?wù)勌剿饔钪娣次镔|(zhì)和暗物質(zhì)的科學(xué)意義,以及怎樣用在空間站上的實驗儀器去探索宇宙反物質(zhì)和暗物質(zhì)。乙:提起反物質(zhì):使我想起前些時候報導(dǎo)過這樣的消息:歐洲核子研究中心的科學(xué)家,利用原子和反質(zhì)子碰撞產(chǎn)生了反氫原子。盡管這種在實驗室條件下產(chǎn)生的反氫原子的壽命很短,只有四百億分之一秒,卻引起了關(guān)心科學(xué)的公眾極大的興趣。這種反氫原子就是反物質(zhì)吧?甲:是的。在介紹反物質(zhì)之前,我們先要提到粒子和物質(zhì)。這里所說的粒子,是微觀粒子的簡稱。比如電子、中子、質(zhì)子等等都是粒子。我們知道,物質(zhì)是由微觀粒子組成的。質(zhì)子和中子組成原子核。帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成原子。各種原子組成了宇宙中的各種物質(zhì)。本世紀(jì)三十年代初,英國物理學(xué)家狄拉克提出反物質(zhì)的假說。世界上所有的粒子都有它們相應(yīng)的反粒子。例如,每一種夸克都有它的反夸克,每一種輕子都有它的反輕子。有電子就有反電子,也叫正電子。有質(zhì)子就有反質(zhì)子,有中子就有反中子。乙:反粒子和粒子就象一對兄弟,它們有什么相同的地方和哪些不同的地方呢?甲:反粒子與粒子這一對兄弟,有許多相同的地方,比如它們的質(zhì)量相同,壽命也相同,等等。例如,電子和正電子的質(zhì)量相同,質(zhì)子和反質(zhì)子的質(zhì)量相同。同時,反粒子有許多與粒子相反的性質(zhì)。以大家容易理解的電性與磁性來說吧:電荷有正、負(fù)之分,反粒子與粒子的電荷大小相等而符號相反。磁矩也有正負(fù)之分,反粒子與粒子的磁矩大小相等而符號也相反。此外,反粒子與粒子還有許多性質(zhì)相反。例如有一種性質(zhì)叫重子數(shù),質(zhì)子的重子數(shù)是+1,反質(zhì)子的重子數(shù)是-1,所以質(zhì)子和反質(zhì)子的重子數(shù)大小相等而符號相反。已知在反應(yīng)過程中重子數(shù)是守恒的,所以當(dāng)由高能光子產(chǎn)生質(zhì)子和反質(zhì)子時,質(zhì)子和反質(zhì)子總是成對產(chǎn)生的(光子的重子數(shù)是零);而當(dāng)反質(zhì)子和質(zhì)子碰撞時,它們會湮滅(湮音同煙,是埋沒、消滅之意),反質(zhì)子和質(zhì)子一起湮滅了。乙:據(jù)我所知,湮滅是反物質(zhì)的一個奇特的性質(zhì)。當(dāng)反粒子與粒子,或者反物質(zhì)與物質(zhì)碰到一起時會湮滅掉。但是這里的湮滅并不是把什么都消滅了。湮滅,會產(chǎn)生其它的正反粒子對,同時轉(zhuǎn)化成巨大的能量。例如,一對正反質(zhì)子湮滅釋放出來的能量,比一個重原子核裂變或兩個輕原子核聚變時釋放出來的能量要大得多。所以有人想過,反質(zhì)子可能是一種新的能源。但是,產(chǎn)生反質(zhì)子是需要許多能量的。甲:是的。我們再來說反物質(zhì)吧。電子是最輕的帶電粒子,它帶負(fù)電,正電子是最輕的帶電反粒子,它帶正電。反核子是指反中子和反質(zhì)子,它們組成反原子核。反原于核與正電子組成反原子,各種反原子可以組成各種反物質(zhì)。乙:我們知道,科學(xué)實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多反粒子?？茖W(xué)家曾分別在三十年代與五十年代在實驗中發(fā)現(xiàn)正電子和反質(zhì)子;1996年年初與年底,歐洲核子研究中心與美國費米實驗室分別成功地研制出9個和7個反氫原子。甲:人們都知道正電子是三十年代安德遜發(fā)現(xiàn)的。但是實際上最早和正電子打交道的是中國科學(xué)家趙忠堯。早在二三十年代,趙忠堯測量硬γ射線通過各種物質(zhì)的吸收系數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)硬γ射線通過重元素時,實際的吸收量大大超過了理論計算值,他把這個現(xiàn)象稱為“反常吸收”。當(dāng)時,英、德兩國幾位物理學(xué)家也進(jìn)行這種測量,三處同時發(fā)現(xiàn)了硬γ射線在重元素上的反常吸收,都認(rèn)為可能是由原子核的作用所引起。為了探索這種反常吸收的機(jī)制,趙忠堯還進(jìn)一步做新的實驗,觀測重元素對硬γ射線的散射現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn),當(dāng)γ射線被重元素散射時,除康普頓散射外,伴隨著上面所說的反常吸收,還有一種特殊的輻射出現(xiàn),他把這個現(xiàn)象稱為“特殊輻射”。后來安德遜發(fā)現(xiàn)了正電子,人們才認(rèn)識到,“反常吸收”實際上是γ射線在物質(zhì)中產(chǎn)生正負(fù)電子對的效應(yīng);而“特殊輻射”實際上是正負(fù)電子對的湮滅輻射。因此我們說趙忠堯是研究反物質(zhì)的先驅(qū)者。乙:人們已經(jīng)在實驗室里產(chǎn)生各種反粒子,那么為什么還要探索宇宙反物質(zhì)呢?甲:在我們周圍并不存在穩(wěn)定的反物質(zhì)。實驗室里能夠用加速器產(chǎn)生極少量的反粒子,但它們很快就和物質(zhì)粒子碰撞而湮滅了,此外,還有一些不穩(wěn)定的放射性原子核會放射出正電子,它們也在物質(zhì)中和電子湮滅了。所以我們平時見到的都是物質(zhì)卻見不到反物質(zhì)。乙:我聽說,狄拉克曾經(jīng)指出:如果我們接受正、負(fù)電荷之間完全對稱的觀點,自然界中基本物理規(guī)律對于正、反物質(zhì)有對稱性,那么可以認(rèn)為地球上(以及整個太陽系中)帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子占絕對優(yōu)勢的情況是一種偶然性,在某些天體中,情況將可能與此完全相反,在那里,可能是反質(zhì)子和正電子占絕對優(yōu)勢。如果自然界中物質(zhì)和反物質(zhì)完全對稱,則宇宙中天體和反天體可能各占一半。甲:我們的地球是物質(zhì),我們的太陽系是物質(zhì),按照“完全對稱”的道理,應(yīng)該有與它們對應(yīng)的反物質(zhì),就是說應(yīng)該有一個“反地球”,也應(yīng)該有個“反太陽系”。而且,在宇宙里天體與反天體理應(yīng)各為一半。乙:但是即使存在“反地球”,“反太陽系”以至“反星系”這些宇宙反物質(zhì),他們必須和物質(zhì)隔開,因為反物質(zhì)遇到物質(zhì)時發(fā)生湮滅,而和物質(zhì)隔開的反物質(zhì)才能夠穩(wěn)定存在。這樣看來,如果存在反天體和反星系,他們一定距離我們非常遙遠(yuǎn),而且和物質(zhì)的星系隔開。那么怎么能夠探測到他們呢?甲:反物質(zhì)的反原子、反分子發(fā)射的光子與光譜和正常物質(zhì)的原子、分子發(fā)射的光子與光譜沒有區(qū)別,所以不能用光學(xué)方法來探索宇宙反物質(zhì)。有一種看法認(rèn)為,雖然反天體和反星系距離我們非常遙遠(yuǎn)。但從反星系逸出的宇宙線可能進(jìn)入我們的銀河系。乙:我們有關(guān)太陽系以外宇宙物質(zhì)的樣本是由宇宙線提供的。到達(dá)地球表面的宇宙線有來自太陽的高能粒子,還有來自太陽系以外的高能粒子(其中主要來自銀河系)。能量越高,粒子數(shù)越少。宇宙線中除了各種原子核外還有少量反質(zhì)子和正電子,它們是高能宇宙線和星際氣體碰撞時產(chǎn)生的次級粒子。甲:如果存在反星系,反星系中由反原子核構(gòu)成的宇宙線有可能逸出反星系、穿過星際空間進(jìn)入我們的銀河系而到達(dá)地球。所以我們可以通過宇宙線的測量直接獲得太陽系以外宇宙反物質(zhì)的信息。由于實驗技術(shù)的限制,以前探測宇宙反物質(zhì)的實驗測量都是在高空氣球上做的。乙:據(jù)我了解,近年來,科學(xué)家曾經(jīng)用高空氣球進(jìn)行反物質(zhì)的實驗。由于宇宙線在和空氣分子中的原子核碰撞時遭到破壞,所以把探測器送到高空中大氣最稀薄的地方進(jìn)行實驗,其中一項實驗稱為“高能反物質(zhì)望遠(yuǎn)鏡”(簡稱HEAT實驗)。HEAT裝置重達(dá)2300公斤,一個巨大的充氦氣球使它上升到3.7萬米的高度上,也就是越過99.5%的大氣層。其它的高空反物質(zhì)探測器還有“同位素物質(zhì)一反物質(zhì)實驗”以及“氣球載超導(dǎo)螺線管譜儀”等。甲:科學(xué)家還曾用高空氣球在宇宙線中尋找較重的反粒子,例如如果有反氦核,就將證明某些反物質(zhì)自大爆炸存在至今。而發(fā)現(xiàn)反碳核或反氧核就說明有反恒星的存在,因為碳以及比碳更重的所有元素只能在恒星中產(chǎn)生出來。乙:我有一個問題:反恒星不可避免會與來自星際空間的通常物質(zhì)的粒子流相碰撞,隨之而來的物質(zhì)一反物質(zhì)湮滅將是產(chǎn)生高通量的γ射線的強(qiáng)烈局部源。但沒有任何探測器曾經(jīng)觀測到這樣一種局部源,這說明銀河系中不存在反恒星,同理,在本星系團(tuán)中也不存在反星系。那么在更遠(yuǎn)的空間中情況又如何呢?甲:如果宇宙有大片區(qū)域是反物質(zhì)構(gòu)成的,那么在宇宙的早期階段中物質(zhì)和反物質(zhì)重迭的地方會產(chǎn)生大量的γ射線。但是天文學(xué)家們沒有探測到這樣一種強(qiáng)烈的背景輝光。如果存在反星系的話,那它們必定位于現(xiàn)有的最好望遠(yuǎn)鏡的觀測距離以外,也就是至少在幾十億光年遠(yuǎn)的地方。乙:另外,上面提到,以接近光速的速度運動的較重的反物質(zhì)粒子可能穿越把反物質(zhì)區(qū)域同銀河系分隔開來的廣闊空間。即使遙遠(yuǎn)的反星系發(fā)射出較重的反粒子是可能的,但是星際空間的磁場也使這些反粒子無法到達(dá)地球。甲:不管怎樣,關(guān)于在地球附近還是否有高能反原子核的問題,最終只能靠精確的實驗來回答。阿爾法磁譜儀實驗就是為了回答這個問題而設(shè)計的實驗。阿爾法磁譜儀是在地球外的空間站上進(jìn)行實驗的。因為反物質(zhì)會在地球大氣層中湮滅,即使在高空氣球處,也仍有剩余大氣。此外,高能宇宙線穿過剩余大氣時會與大氣分子碰撞而產(chǎn)生次級粒子,其中包括反粒子,形成實驗本底。因此需要在地球外面的空間中探測宇宙反物質(zhì),在空間測量可以避免這些本底。乙:下面我們來談?wù)撛鯓釉诳臻g站上用磁譜儀來探測宇宙空間飛來的原子核。甲:什么是磁譜儀?這是一個實驗設(shè)備,里面有磁場和一些探測器,可以測量粒子在磁場里的運動和軌道,包括它的偏轉(zhuǎn)方向,大小,它在磁場里的飛行時間以及在探測器中的電離能力等。乙:用磁譜儀怎樣能測量到反物質(zhì)呢?甲:我們知道,帶電粒子在磁場中運動時,會發(fā)生偏轉(zhuǎn),它們偏轉(zhuǎn)的方向和粒子的電荷有關(guān),偏轉(zhuǎn)的大小和粒子的動量(粒子質(zhì)量和速度的乘積)有關(guān)。因此太空中飛行的帶電粒子從磁譜儀的入口處進(jìn)入磁場區(qū)域中時,他們在磁場中運動,軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)。測量了粒子偏轉(zhuǎn)的方向,就可以定出它的動量。同時還可以用飛行時間計數(shù)器測量粒子從磁場入口飛行到出口的飛行時間,從飛行時間的大小和粒子飛行的距離,可以計算粒子的飛行速度。此外,帶電粒子在探測器里產(chǎn)生的電離大小和所帶電荷大小和運動速度有關(guān),因此測量電離有助于確定粒子的性質(zhì)。甲:下面我們談?wù)勌剿靼滴镔|(zhì)的問題。什么是暗物質(zhì)呢?天文學(xué)觀測到的星系旋轉(zhuǎn)速率,表明星系可能位于一個巨大的暗物質(zhì)暈圈中,這些暗物質(zhì)不能通過通常的方法觀測到,但是它們有萬有引力作用。這當(dāng)然是一種推測。按照這種看法,所謂暗物質(zhì)是那些和光沒有相互作用的物質(zhì)。它們既不能發(fā)射光,也不能反射光。所以用光學(xué)方法或電磁波方法根本不可能觀測到它們。但是暗物質(zhì)具有引力相互作用,它們可以通過對天體的萬有引力而表現(xiàn)出它們的影響。乙:有人認(rèn)為:從天體物理的觀測數(shù)據(jù)推算,宇宙中的暗物質(zhì)幾乎占所有物質(zhì)中的90%。也許可以用一個不很恰當(dāng)?shù)谋扔鱽碚f明:在海洋里有一座漂浮著的冰山,其中露出水面的是能被人們看到的一小部分,冰山的大部分卻沉浸在海洋里,并沒有被人們看到。如果把冰山的被看到的漂浮出水面的頂部比喻是可見的物質(zhì),那么還不了解的暗物質(zhì)就是龐大的沉浸在海里的部分,它們比看得見的物質(zhì)多得多。甲:如果說因為在實驗室里已經(jīng)產(chǎn)生了許多種反粒子和反氫原子,所以我們對反物質(zhì)還比較熟悉,那么我們對暗物質(zhì)則幾乎一無所知,因為除了由天文學(xué)的觀測間接推測存在大量的暗物質(zhì)外,還沒有直接的實驗資料。究竟暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么?至今誰也不知道。但人們對此有很多猜測。其中一種猜測是認(rèn)為宇宙中充斥著一種穩(wěn)定的粒子,叫作“弱相互作用重粒子”,假想的弱相互作用重粒子將是暗物質(zhì)的一個極有可能的候選者,因為它既不發(fā)光,也不發(fā)出其它任何形式的電磁輻射。當(dāng)然,還有許多其他的猜測。乙:既然在實驗上很難直接觀測到暗物質(zhì),那么怎么能用磁譜儀測量暗物質(zhì)呢?甲:磁譜儀并不能直接地測量暗物質(zhì),而是間接地測量它們。因為有一種理論推測,如果存在預(yù)期密度的弱相互作用重粒子,這種暗物質(zhì)相互作用時,可能產(chǎn)生高能的反質(zhì)子、正電子和γ射線。我們已經(jīng)說過用磁譜儀測量帶電粒子的原理,所以用磁譜儀是可以測量這些粒子的。乙:前面提到的HEAT裝置,記錄到的低能正電子的數(shù)目非常接近于預(yù)期由星際碰撞產(chǎn)生的正電子的數(shù)目;而在高能區(qū)域中,HEAT裝置發(fā)現(xiàn)的正電子的數(shù)目多于預(yù)期的數(shù)目。觀測到的超額量并不特別大,很可能是測量誤差所造成的結(jié)果。然而,如果這一差額確實存在,那就說明宇宙中有一個人們尚未認(rèn)識到的高能正電子源。甲:如果存在著預(yù)期密度的弱相互作用重粒子,那么它們之間的碰撞將產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的高能正電子。這一過程可以解釋HEAT裝置所觀測到的高能正電子過量現(xiàn)象。當(dāng)然,必須用更高精確度的實驗證實之后,才能夠作出肯定的結(jié)論。阿爾法磁譜儀就是準(zhǔn)備通過精確測量高能反質(zhì)子、正電子和γ射線來探索這種假設(shè)的弱相互作用粒子。乙:我認(rèn)為,如果暗物質(zhì)的本質(zhì)并不是上面提到的弱相互作用重粒子,那么阿爾法磁譜儀就不會測到高能反質(zhì)子、正電子和γ射線過量現(xiàn)象,暗物質(zhì)的本質(zhì)就要用別的辦法研究了。甲:是這樣的。乙:我們是否介紹一下阿爾法磁譜儀的具體結(jié)構(gòu)。甲:阿爾法磁譜儀包括永磁體和一組精密的粒子探測器。圓桶型的永磁體是由磁能級為4700萬高斯·奧斯特的6000塊銣鐵硼構(gòu)成。是高0.8米,外徑1.299米,內(nèi)徑1.115米,重2噸的圓筒。筒內(nèi)為1400高斯的平行均勻磁場。儀器接收度為0.8平方米*立體角,漏磁非常小,磁二極矩幾乎為零。主體機(jī)械結(jié)構(gòu)精度非常高,自重300公斤,可支撐3噸多重的整個探測器。AMS磁鐵初樣和反符合計數(shù)器在北京衛(wèi)星環(huán)境研究所進(jìn)行了震動實驗;在中國水利科學(xué)院進(jìn)行了加速高達(dá)17.79g的離心實驗。主體結(jié)構(gòu)完全達(dá)到了美國宇航局的安全要求。乙:阿爾法磁譜儀里面的粒子探測器有硅微條探測器、飛行時間計數(shù)器、反符合探測器等。硅微條探測器共有6層,安裝在磁場內(nèi)。它的功能是兩維精確測量帶電粒子在磁場中運動的軌道,給出帶電粒子的動量和電荷種類(正和負(fù))。它的位置分辨在帶電粒子運動軌跡彎曲的方向上為10微米,在不彎曲的方向上為30微米。甲:飛行時間計數(shù)器由塑料閃爍體和光電倍增管組成,共四層,兩層在AMS頂部,兩層在底部;時間分辨為一百億分之一秒。其作用是給出一級觸發(fā)信息,測量粒子的速度和絕對電荷量。速度測量可達(dá)到3%的精度,再結(jié)合得到的動量參數(shù)即可確定粒子的質(zhì)量。乙:反符合探測器由鑲嵌波長位移光纖的16個塑料閃爍體和光電倍增管組成,由碳纖維加固圓筒支撐,緊貼在磁鐵內(nèi)壁。它的作用是與飛行時間計數(shù)器結(jié)合,排除穿入和穿出磁鐵內(nèi)壁的粒子。其探測效率達(dá)到99.999%。此外在AMS底部還有兩層氣凝硅膠探測器,因為它是可以鑒別電子和反質(zhì)子,有助于暗物質(zhì)的研究。甲:AMS磁譜儀的觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取電子學(xué)系系統(tǒng),可以進(jìn)行即時的數(shù)據(jù)收集并通過衛(wèi)星傳到地面站。乙:阿爾法磁譜儀實驗是丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)下的一個大型國際合作的科學(xué)實驗項目,包括美國、中國、瑞士、俄羅斯等十多個國家和地區(qū)科研人員參加,中國科學(xué)家在其中做了哪些工作?這些對我國空間技術(shù)有何影響?甲:這項實驗得到了我國科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、航天工業(yè)總公司、冶金局等單位的大力支持,中國科學(xué)院電工所、高能物理研究所、中國運載火箭技術(shù)研究所、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、中國水利科學(xué)研究院等單位參加了這項重大國際合作項目,并在其中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。中國的各單位進(jìn)行的具體工作包括研制阿爾法磁譜儀中最為關(guān)鍵的永磁體、整個探測器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造以及反符合計數(shù)器、環(huán)境實驗等內(nèi)容。乙:探測反物質(zhì)的關(guān)鍵是必須把包括一個強(qiáng)有力的磁鐵的探測器送入太空。前面你已提到,中國科學(xué)家研制了其中最關(guān)鍵的永磁體,能否談?wù)動嘘P(guān)情況。甲:中科院電工研究所利用多年來在核磁共振永磁體方面的經(jīng)驗,利用稀土銣鐵硼永磁材料研制出完全滿足美國航空航天的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及AMS實驗在太空運行要求的永磁體。乙:前面你還提到,整個探測器的機(jī)械結(jié)構(gòu)精度非常高,它自重300千克,卻必須支持重達(dá)三噸多的整個探測器,并能達(dá)到航天飛機(jī)在起飛和著陸時對機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。此外AMS實驗要求反符合計數(shù)器效率必須達(dá)到99.999%以上,尺寸公差十分嚴(yán)格,并能經(jīng)受巨大加速度和劇烈震動,能長時間在空間環(huán)境工作。高能物理研究所的研究人員圓滿完成了反符合計數(shù)器試樣的設(shè)計、研制和空間環(huán)境模擬實驗,為反符合計數(shù)器飛行件的設(shè)計和研制提供了數(shù)據(jù)。甲:這項國際合作推動了我國基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)和多項高科技技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了我國空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。阿爾法磁譜儀是第一次把大型磁譜儀送入太空,對宇宙空間的帶電粒子直接觀測,它開辟的一個全新的科學(xué)領(lǐng)域,很可能帶來一次突破。世界上目前建造的各種加速器能在實驗室中產(chǎn)生和研究反物質(zhì),而阿爾法磁譜儀可以尋找宇宙空間中的反碳核和反氦核等宇宙反物質(zhì)。至于宇宙暗物質(zhì)的相互作用,有可能在反質(zhì)子、正電子或光子的能譜中形成