科学家向创造“反物质”世界挑战

【台湾《中国时报》１０月２６日文章】题：科学家向创造‘“反物质”世界挑战（记者江才健）
不论你看不看科幻小说，大概或多或少地总会听说过“反物质”这个名词。在热门的电视影集《星舰迷航记》中，那一艘“企业号”太空船，就是利用“反物质”反应器作为推进动力的；在真实的科学领域中，虽然科学家早已在理论中预测了有反粒子的存在，也在实验设备中有成功创造出许多反粒子的事实，但是真正利用这些反粒子来组成“反物质”，却依然是科学家未能达到的一个目标。
近几年来，一些科学家在这个领域中得到相当大的进展，在他们的计划中，头一个构造最简单的反物质，也就是地球上最小元素“‘氢”的反物质“反氢”，可能不久就可以创造出来，为人类的进入“反物质”世界领域，创下一个里程碑。
在人类的科学进展中，头一个预测有反粒子存在的科学家，是１９３３年获得诺贝尔物理学奖的大科学家迪拉克。他所预测电子的反粒子，也就是“反电子”、在１９３２年由实验物理学家安德森发现以后，人类开始意识到，另外还存有一个“反物质”世界的可能，而迪拉克在他的诺贝尔颁奖演讲中，不但猜测存有由“反物质”组成的另一个世界，并且认为我们在夜空中看到的许多星辰，或许实际上是由反物质所构成。
由正电子发现迄今６０年来，物理学家对于反粒子又有更多的进展和了解，他们不但再创造出带正电“质子”的反粒子，也就是带负电的“反质子”，并且已开始利用“正”“反”电子、“正”“反”质子，互相撞击会中和湮灭并转换成能最释出的性质，应用于高能粒子加速器中，来进行探测物质基本结构的实验。
尽管粒子物理学家已经有足够知识和技术，可以产生“反电子”和“反质子”，并且可以长时间的保存这些反粒子，并利用来和“电子”“质子”相碰撞，但是他们却没有办法如同一般物质中的‘‘电子”和“质子”一样，把“反电子”和“反质子”结合起来组成“反物质”，其主要原因，乃是这些“反电子”和‘‘反质子”能量太高，没有办法“安定”下来“同居共处”。
根据科学家的研究，如果要使一个“反电子”和一个“反质子”结合起来，组成“氢”的反物质“反氢”，这些粒子的能量都必须降到千分之一电子伏特的极低能量，因此发展降低“反粒子”能量的技术，乃成为创造“‘反物质”的努力方向。
目前世界进行高能物理实验的重镇之一，位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理中心的一个低能量反质子储存环（ＬＥＡＲ），是科学家创造“反物质”的最佳利器。这个储存环中保存的“反质子”，能量已可以“低”到６百万电子伏特，但是这种在当前高能物理实验中相当低的能量，对于创造出“反物质”所需的极低能量，还是相去极远的。
科学家之所以在最近宣称，他们已经接近可以创造出“反物质”的时刻，主要就是因为在降低“反粒子”方面的技术，有了相当大突破的缘故。
由美国哈佛大学物理学家加布里斯领导进行的创造“反物质”实验组，在１９８９年已经成功发展出一种技术，可以将“反质子”能量降低到３０００电子伏特，并且能保存拘限达１０分钟之久，这３年来，他们发展出来的新技术，可以进一步将“反质子”能量下降到万分之三电子伏特，可以说已符合利用来组成安定“反物质”的低能量要求。
虽然有了能量足够低的“反质子”，科学家并不知道如何将之与“反电子”结合起来，原因是这中间的一个大困难，乃是必须有一个中子或一个电子，来将一些能量带走，才能使形成的“反物质”安定地存在。在解决这个困难方面，日本东京大学核物理研究所的物理学家山崎（Ｔ．Ｙａｍａｚａｋｉ）有了一些突破。山崎在将“反质子”射入液态氦的实验中发现，一些没有立即和氦原子核中“质子”中和湮灭的“反质子”，会和氦原子形成短暂的结合体，因此日本科学家推断，如果再将“反电子”射向这种暂时结合体，“反质子”很可能会放弃和氦原子的不稳定结合，而和“反电子”结合而形成“反氢”。
由于这种结合产生的“反氢”并不稳定，科学家也还提出许多防止新创生“反物质”中和淹灭的方法，根据理论的推算，这些方法都极有成功的可能。科学家积极想创造出“反物质”的目的，并不是为了验证过去科幻小说中的奇妙臆测，其对于科学本身有着重大的意义存在。像在量子力学和狭义相对论中相当重要的电荷宇称时间不变性（ＣＰＴｉｎｖａｒｉａｎｃｃ），便可以因为有反物质的存在，而将量子力学中粒子和反粒子对比的某些性质，精确度提高到千亿分之一。
另外一个相当基本的问题，乃是可以探究‘“反物质”在重力场中下坠的情况，这种在物理学中称之为“弱作用对等原理”的问题，则是建构广义相对论实验证据的一个基石。在这项可以称之为“２１世纪伽利略比萨斜塔的实验”中，科学家也可以验证，“反物质”会不会如一些理论所预测的，在重力场中“向上”掉去。
像所有进行知识探究的科学计划一样，创造“反物质”的计划，也一样要在争取研究经费以及在科学会社中得到支持的科学生态中争取机会，对于这个科学计划本身，美国麻省理工学院参与计划的物理学家克莱普纳的看法是，“五六年前这件事可以说完全是空中楼阁，而现在则是极端困难的挑战”。