【從科幻世界到科學研究─尋找反物質】

江南布衣

【從科幻世界到科學研究─尋找反物質】

 

常在科幻作品中現身的反物質，其實正是目前粒子物理研究中相當重要的課題。

 

除了實驗，我們也在太空中搜尋它的蹤跡。 

撰文╱張元翰 

 

 

 

 

喜愛看星艦奇航（Star Trek）的影迷，對於反物質一定不陌生：

 

星艦「企業號」的超光速引擎，動力來源就是反物質與正物質結合時所放出來的巨大能量。

 

不只如此，主角之一機器人百科少校（Lt. Commander Data）的頭腦還是一個「正子腦」。

 

正子腦是著名科幻作家艾西莫夫（Isaac Asimov）在他的機器人系列小說中發明的。

 

而在另一位科幻作家尼溫（Larry Niven）的小說中，則提到一個向銀河系飛來，由反物質所構成的星球；

 

此外，巴克斯特（Stephen Baxter）的小說《反冰》（Anti-ice）中，也描述了殘存在超導冰晶中的反物質，並用來做為19世紀科學家登上月球的能源。

 

一代一代的科幻名著，利用反物質激發人們的想像，也讓許多年輕心靈嚮往科學研究，期待能更進一步了解這神奇的謎樣物質。

 

《達文西密碼》作者丹布朗（Dan Brown）的另一本小說《天使與魔鬼》（Angels & Demons）中，0.25克的反物質被宗教狂熱份子用來做為威脅梵蒂岡的終極武器。

 

「反物質」這個名詞從此由科幻世界躍入了流行文化。

 

然而，在真實而冷硬的科學世界中，反物質到底呈現什麼樣的面貌呢？

 

科幻小說中的場景是否可能在將來實現？

 

本文從反物質的研究淵源出發，簡單描述反物質研究的現況，希望讓大家更加了解反物質。

 

雖然它在真實的物理中，展現出與科幻作品非常不同的風貌，但不變的是，它確實非常有趣而且神秘。

 

 

製造、儲存與應用

 

反物質在1930年代首次發現時，找到的是反電子（正子）。

 

到了1950年代，反質子和反中子也在加速器中製造出來。

 

1965年，又在實驗室偵測到反氘核（由一個反質子和一個反中子構成的反原子核）。

 

自此大家相信，反物質應該與正物質一樣，是以原子、分子的形式存在，並有對應的週期表，只不過在技術上很多反物質還無法在實驗室中製造出來。

 

直到2002年，終於在CERN的實驗室中看到了最簡單的反原子——反氫。

 

雖然，要在實驗室中製造出更複雜的反原子恐怕很難，不過能夠做出反氫，就有許多應用的前景。

 

在能夠製造出反物質後，下一個面臨的問題就是如何儲存及應用。

 

這方面的研究，最大動力是著眼於反物質可以攜帶巨大的能量。

 

因為儲存的問題解決之前，我們是無法大量利用反物質的。

 

這方面的研究現況，後面的〈反物質，冷靜一下！〉文中有詳細的描述，其中所提到的都是最先進的儲存方法。

 

然而距離科幻小說中的應用，還有很大一段距離。

 

短期內當然更不至於會用來製造武器。

 

目前為止，反物質的應用以高能物理實驗和醫學為主。

 

高能物理實驗利用高速的正、反粒子碰撞，來觀察基本粒子間的交互作用。

 

而在醫學上，正子斷層掃描（PET）是癌症診斷的一項重要工具，這項技術利用正子與電子湮滅時所產生的光子，來推定腫瘤的位置。

 

雖然反物質啟發了人們許多想像，但是在日常生活中的應用則尚待開發。

 

〈反物質，冷靜一下！〉中提到的幾個實驗，正是這方面的開路先鋒。

 

 

反物質與物質，有多對稱？

 

反物質的發現，主要歸功於英國物理學家狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）的開創性想法。

 

根據他的描述，反粒子就相當於︰

 

在真空中移除一個正粒子所留下的狀態。

 

在此理論的引導下，物理學家普遍認為，正粒子與反粒子間應該有很好的對稱性。

 

的確，正反粒子的質量、半衰期、電磁作用和強作用都相同，顯示出高度對稱。

 

所以當弱作用的正反不對稱性被發現時，很多物理學家很難接受。

 

正反粒子在弱作用中的不對稱，與左右的不對稱有很密切的關係。

 

最明顯的例子是，只有左旋的微中子和右旋的反微中子參與弱作用。

 

弱作用對其他粒子也顯示類似的不對稱。

 

不過物理學家很快就了解，左旋的正粒子與右旋的反粒子對弱作用而言，仍保有極佳的對稱性，所以我們必須把左右變換一起考慮進去，這就是所謂的CP對稱（C代表正反粒子間的轉換；P代表左右轉換，也就是鏡像對映）。

 

所以，正反物質是對稱的。

 

如果沒有任何物理過程違反CP對稱，那麼粒子世界將大為簡單。

 

因為，只要研究正物質的性質，做個CP轉換，就可以得到反物質的性質。

 

然而，1961年克羅寧（James Watson Cronin）和菲奇（Val Logsdon Fitch）對中性K介子（K0）做研究，竟看到K0和它的反粒子間存在著一個微小的CP不對稱。

 

這個發現讓大家非常驚訝，原來物質和反物質間還是有差異。

 

這個微小的差異自然也引起極大的注意，衍生出許多不同推測的理論。

 

但也因為CP不對稱的效應非常微小，所以實驗極為困難。

 

經過了30年來許多實驗的努力，有套標準理論逐漸勝出。

 

這是由日本物理學家小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（T. Maskawa）提出的想法，他們用一套矩陣變換來說明弱作用與強作用、電磁作用的差異。

 

這個矩陣如果含有虛數元素，就可以很自然的導出CP不對稱的結論。

 

特別有趣的是，這個CP不對稱的機制，必須是在基本粒子的家族數是三種或更多時，才能發生。

 

而我們現在所知的，基本粒子剛好就有三個家族。

 

這是巧合還是另有深意，也是大家亟需了解的問題之一。

 

小林誠和益川敏英的理論有個重要推論，那就是還有 一種粒子──中性B介子（B0），也會表現出CP不對稱的性質。

 

更重要的是，B0的CP不對稱可能不像K0的那麼微小。

 

基於這個推論，以及CP不對稱在物理上的重要性，1990年以後，美國和日本各自投入大筆經費與人力，建造了專門生產B0的加速器，稱為B工廠。

 

這兩個加速器上也各自建造了巨大的粒子探測器（美國的稱為BaBar，日本的稱為BELLE），以偵測B0的衰變產物，並測量其CP不對稱。

 

這兩個實驗十分成功，在2000年開始運轉後，很快就明確測出B0的CP不對稱。

 

正如大家所預料，這個不對稱性相當大，而且可以在很多不同的衰變過程中觀測到。

 

這個是近10年來粒子物理最重要的成果之一。

 

CP的不對稱，標示了正反物質在本質上的差異，這引起大家思考更進一步的對稱，也就是所謂的CPT對稱。

 

CPT對稱的操作，除了將粒子變為反粒子、左右對換外，還要加上將時間反向進行。

 

現代物理學的基本理論方法，提供CPT對稱非常強的理論基礎，CPT對稱如果不成立，則整個基本粒子理論都需要全盤修改。

 

現在看來CPT不對稱的可能性很小（見〈反物質，冷靜一下！〉）。

 

不過，從C不對稱、CP不對稱的歷史一路看來，大自然似乎喜歡維持一個大致的對稱，然後在細微處保留小小的不對稱，讓物理世界更加繽紛有趣。

 

說不定在不久的將來，我們也會在某個粒子身上找到微小的CPT不對稱，再次讓物理學家跌破眼鏡。

 

 

宇宙中的反物質

 

然而另一方面，當我們還在汲汲於研究那非常微小的CP不對稱時，大自然卻給我們出了一個大謎題：

 

放眼望去，我們的地球、太陽系，以及整個銀河系，都是由正物質造成的。

 

也就是說，宇宙中正、反物質的量，呈現百分之百的不對稱。

 

實驗室裡所看到的正反物質對稱性，並沒有反映在真實的宇宙，這個問題強烈指出，我們對於反物質的研究仍有很大的漏洞。

 

宇宙起源於一個由無到有的大爆炸，一般相信這個過程應該產生一樣多的正反粒子。

 

（因為正反粒子碰撞會產生能量，反推可知，巨大能量應產生相同數量的正反粒子。）

 

可是，經過長時間的宇宙演化，現在我們四周只剩下正物質。反物質都到哪裡去了？

 

著名的俄國物理學家沙卡洛夫（Andrei Sakharov）研究這個問題，並提出了有名的三條件：

 

CP不對稱，正反物質才有實質的差異；

 

質子會衰變，才能改變反粒子的總數；

 

宇宙膨脹的過程中，曾經脫離熱平衡狀態，因為熱平衡狀態會抹平正反粒子的任何差異。

 

CP不對稱所研究的關鍵問題，其中之一就是實驗室中量到的CP不對稱是否足夠大，而能滿足第一個條件。

 

以現有的數據看來，CP不對稱似乎還不夠大到足以消滅所有的反粒子。

 

而且，即使CP對稱夠大，質子的衰變也沒有實驗上的根據，沙卡洛夫的這個想法似乎行不通。

 

 

引用：http://sa.ylib.com/news/newsshow.asp?FDocNo=1277&CL=14