反物质

　　记得有个叫做《苍蝇人》的电影，说得是某位天才或者疯狂的科学家，试图利用将人体解析成最基本的物质构成态然后以波的形式发送到另外的地方再组合还原，达到以光速运送人类旅行的目的。不过试验中居然有只苍蝇飞进了他的仪器，结果他就变成了人头苍蝇身的恶心形象。与其说是科幻片，到不如说是恐怖片，因为那个最后的人头苍蝇身实在是真正成为当时正端着饭盆的我的呕吐的对象。不过片子的构思从物质构成角度来说，到还是有点意思的，因为人体与我们周遍的世间万物解析到物质构成最基本单位确实没什么区别。

-Fw-l `&cW0　　这一点，人类的老祖宗早就开始考虑了。如同《道德经》里所说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”古希腊人也就认为水、火、空气和泥土是构成物质的基本元素。时至今日，人类已经发现，物质由分子和原子组成，原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成。再往下划分，物质又可以分成强子——由夸克组成，包括上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克；轻子——包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子；还有传播子——传递强作用的各种胶子。物质组成的研究，帮助人们重新认识了物质的世界，也帮助人们认清了物质之间的各种相互作用。

+XbIfv:\N0　　不过，世界上的万物是否可以统归入物质范畴呢？答案应该是对的，不过，这里的物质得再解释一下，那就是正物质与反物质。正物质的概念就如同人们现今普遍理解的含义，但反物质又是什么？

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7T |2Pg7HJ0Y0安德森拍到的第一张正电子轨迹照片。正电子从上往下运动，牧夫天文网~8g8? `gu
穿过气室中央的铅板。其轨迹因磁场的作用而呈弧状。

H!f(Hv f0　　１９３２年，美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子。与之前发现的电子相比，其质量和带电量完全相同，但它带的是正电，而电子带的是负电。因此，这被称为正电子。正电子也就是电子的反粒子。正电子的发现，毫无疑问的引发了科学家们新的探索之旅，而就此，一个反物质的世界如同沉睡千年的底下宫殿逐渐呈现在人们眼前：１９５５年，反质子在美国的一家实验室中被发现，其后

y8X2n4O}Y8F0　　人们又发现了反中子。到上个世纪６０年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。

U&SM}6H0 

uS9bA1_;q#\LJ0　　通古斯大爆炸是反物质引起的吗？牧夫天文网sqU%y Q}

2tQp0y%j0　　１９０８年６月３０日格林尼治时间零时，俄罗斯西伯利亚东起勒拿河、西至叶尼塞河直线距离约１５００公里的广大地区上空，一个巨大的天体拖着长长的烟火尾巴，伴随着雷鸣般的轰鸣飞过东起勒拿河、西至叶尼塞河，直线距离约１５００公里的天空。随后，人们感到三次强烈的爆炸，伊尔库茨克地震站测定其爆炸当量相当于１０００至１５００万吨ＴＮＴ炸药。爆炸后的几天里，东至勒拿河、西至爱尔兰、南至塔什干、波尔多（法国）一线的北半球广大地区连续出现了白夜现象。爆炸之后，科学家们在叶尼塞河中、下游和勒拿河支流维季姆附近，先后发现了３个与月球火山口相似、直径为９０至２００米的爆炸坑和一片面积约２０００平方公里的被冲击波击倒的原始森林。在随后的探险考察中，科学家们还发现爆炸地区土壤被磁化，１９０８至１９０９年的树木年轮中出现放射性异常，某些动物出现遗传变异。由于现场没有发现任何陨石碎片等，基本排除流星或陨石坠落等。一个可能的解释，就是反物质造成了这一著名的通古斯大爆炸。　　

PH{7oyn-O0　　科学家研究认为，宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质世界”，它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的“负核”，外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的“正物质”接触，便会在瞬间发生爆炸，物质和反物质变为光子或介子，释放巨大能量，产生“湮灭”现象。牧夫天文网Fz ftWv y

银河系中央，物质与反物质湮灭时产生的γ射线爆。康普顿卫星 1997 年摄。

1QV;u/IJ3j0　　迄今为止，人们已经多次证实了反物质的存在。１９９５年，欧洲核子研究中心（ＣＥＲＮ）的科学家在世界上制成了第一批反物质——反氢原子。科学家利用加速器，将速度极高的负质子流射向氙原子核，以制造反氢原子。由于负质子与氙原子核相撞后会产生正电子，刚诞生的一个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个负质子结合就会形成一个反氢原。在累计１５小时的实验中，共记录到９个反氢原子存在的证据。由于这些反氢原子处在正物质的包围之中。因此它们的寿命极短，平均寿命仅为３０纳秒（一亿分之三秒）。１９９６年，美国费米国立加速器实验室成功制造了７个反氢原子。

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W*b7EOf M;Y0　　目前，在实验室中制造正电子、负质子等反基本粒子已是轻而易举，而将正电子与负质子组成反原子尚十分困难，因为将这两种粒子结合在一起并且能证实它们结合成反原子的工作十分复杂，因此科学家需要研制功能更强大的研究工具。而且，人们还有一个普遍的疑问，那就是反物质如何能存储在物质的世界里？牧夫天文网(J;_L;@o,^D_2C

?:k} O9s]M:k2s^`[0　　科学不是万能的，但真正的科学总是可以带来无限可能。就在今年２月，欧洲核子研究中心的科学家日前宣布，他们可能已经成功的实现捕捉并存储反氢原子。科学家审慎的表示，他们相信已经存储了数千个反氢原子，但尚需等待进一步的实验证实。牧夫天文网*g+CH@ v
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CERN 的反质子收集器（ AC ）和反质子存储器（ AA ）装置

Q'uK8q*^L$M7? D0　　据《新科学家》杂志报道，欧洲核子中心的科学家杰拉尔德?加夫列尔瑟领导的一个科研小组，使用高能磁场捕捉在该中心粒子加速器中实验得到的反质子，然后引入正电子流，并使用电场对其减速，再使得两种粒子汇合在被称为“粒子陷阱”的结构中。由于物质或者带有正电荷或者带有负电荷，因此它们可以被保存在具有适当电磁场结构的“陷阱”中。之后科学家再将该粒子陷阱放置入电场条件下，结果发现部分粒子出现无法移动的现象。科学家认为，这表示两种反粒子结合形成了中性的反氢原子。

.\6x0`C6]q-`0　　加夫列尔瑟认为，“这种条件下很难认为没有反氢原子的存在”，只是他们还不能确定具体存储了多少反氢原子。但他同时表示，希望能够在该中心的粒子加速器恢复运转后，可以重复确认上述发现，以期最终确证这一研究成果。如果上述实验结果最终得到证实，将为人类在物质认知领域带来重大突破。牧夫天文网3\|;o}0{b&v

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m5D)I}_D5j0l 粒子物理中的反物质概念牧夫天文网Ymer-J?+i

我们知道，把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源，它们都是由质子、中子和电子所组成的。这些粒子因而被称为基本粒子，意指它们是构造世上万物的基本砖块，事实上基本粒子世界并没有这么简单。在30年代初，就有人发现了带正电的电子，这是人们认识反物质的第一步。到了50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。牧夫天文网y3A1X,f!vk.|t8a

4p:cT
kK0电子和反电子的质量相同，但有相反的电荷。质子与反质子也是这样。那么中子与反中子的性质有什么差别？其实粒子实验已证实，粒子与反粒子不仅电荷相反，其他一切可以相反的性质也都相反。这里我们讨论一下重子数的概念。

质子与中子被统称为核子。人们从核现象的研究发现，质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但在转化前后，系统的总核子数是不变的。50年代起的粒子实验表明，还有很多种比核子重的粒子，它们与核子也属同一类，这类粒子于是被改称为重子，核子仅是其最轻的代表，一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化，系统中的重子个数是不会改变的。

VX*qTw2x0由于重子数的守恒性，两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，那么反核子应当怎么产生？实验表明，反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的。例如

　　p+p → N+N+N+N'+若干 π 介子

其中N代表质子或中子，N'代表反质子或反中子。反核子一旦产生，它常很快与周围的某个核子再相碰而咸对地湮灭。例如牧夫天文网
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　　N+N' → 若干 π 介子

对于比核子更重的重子，情况完全一样。反重子也总是与重子成对地产生，成对地湮灭的。这些经验使人们认识到，重子数的守恒规律需要重新认识。

现在人们把重子数B当作描述粒子性质的一种荷。正反重子不仅有相反的电荷，而且也有相反的重子数B。令任一个重子都具有重子数B=+1，则任一个反重子都具有B=-1。介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数，即它们有B=0。重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B。这表述既反映了不涉及反粒子时的重子个数不变，也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭。现在我们容易理解中子和反中子的区别了，它们具有相反的重子数B，因此反中子能与核子相碰导致湮灭，而中子则不能。

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C{x wE0此外，人们还类似地发现了轻子数的守恒性。中微子虽不带电，也不具有重子数，但它与反中微子具有相反的轻子数。按轻子数的守恒性，中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的，实验还表明，介子数和规范粒子数是不具有守恒性的。这样我们看到，电荷只是粒子的一种属性，另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性。正反粒子的这些属性也都是相反的。牧夫天文网
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我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此，这样的物质被称为正物质，由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反拉子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而却几乎没有反物质呢？这正是我们现在要讨论的问题。牧夫天文网3V&@^3Q9\ur`

2 宇宙中有反物质天体吗？

粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核，反核和反电子结合在一起，就能组成反原子。我们的正物质世界有多少种原子，相应在反物质世界中也能有多少种反原子，而且它们在结构上将是完全没有区别的，延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系就应当存在。因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？

要由观测来分辨远处星系由物质构成或反物质构成并不容易，至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。原则上，正物质天体若辐射光子，那么同样的反物质天体应当辐射反光子。但是光子是纯中性的粒子，因此光子与反光子是同一种粒子。这样，天文学家通过可见光、射电、X射线或 γ 射线观测，原则上无法区分他的目的物是由物质构成还是由反物质构成。恒星和星系除了辐射光子外，它们还辐射中微子。中微子与反中微子很不一样，如果天文学家能接收中微子，那么他就能区分物质天体与反物质天体。可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱，造一个能接收它们的仪器很困难。今天用这办法来区分物质天体或反物质天体还办不到。那么让我们问：与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组彻吗？

wf d~3T[n5d0月亮是离我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。如果月球是由反物质组成的，那么在那位宇航员与月球接触时，湮灭过程早已把他转化为介子了。这是直接证据，表明月亮是正物质天体。至于太阳，那是人类没有可能登陆的地方。那么怎么才能知道它不是由反物质组成的呢？太阳表面的气体很热，其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度，这就是太阳风的起因，若太阳是反物质恒星，太阳风就由反原子组成，它吹到行星上，就会和行星的正原子相湮灭。于是正物质组成的行星会逐渐消失掉，这种消失过程没有发生，就证明了整个太阳系中没有反物质天体。这样，如果要存在反物质天体，它至少应在太阳系之外。

把眼光放远到整个银河系，要问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中，会有一部分是反恒星吗？今天人们也已能肯定地回答：不会有。我们从地面上能接收到太空中飞行的宇宙射线。观测统计表明，宇宙射线粒子中反质子仅是质子的万分之几，并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物，而不是原始的，此外宇宙射线中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子却一个也没有发现过，这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的。如果银河系中有反物质恒星，那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭。湮灭产生的 π 0 介子将很快衰变而成 γ 光子。因此这种湮灭过程是能够通过 γ 射线的观测来发现的。正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的 γ 光子，使人们知道，银河系中并没有反恒星的存在，整个银河系都是由正物质组成的。牧夫天文网
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va:ZX)iq0我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系，原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体。因此，若既有正物质星系又有反物质星系，那么正反物质必会相遇，相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 γ 射线，而没有找到过。于是得出结论：在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。

在这样的结果面前，人们的看法分成了两种。一种认为宇宙中正反物质应当是等量的，需要的是从更远处去寻找反物质星系存在的证据。另一种认为事实已暗示，宇宙中没有大量的反物质存在，需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。牧夫天文网l/F"D)f,E-J&w

3 继续寻找反物质的努力牧夫天文网bV1s
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"etU{TG01998年的夏天，美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传过它。牧夫天文网cd+jJ_Za yg

Xq$Ec"b7S m#Se:B0如果相信宇宙中有等量的物质和反物质，那么在三千万光年之外应有大范围的反星系区存在。在那里，原始的宇宙射线应是由反质子和反 α 粒子组成的。那里的部分宇宙射线粒子会飞进我们这个由正物质构成的区域。由于星系际大部分地方很空旷，气体的密度约只有每立方米一个质子的质量。因此反原子核可自由地飞行很长的距离。这样，放置在地球大气层之外的磁谱仪就能接收到它。这就是阿尔法磁谱仪计划的基本想法。牧夫天文网3F*O#jz|

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k#_ h0上面已提到，实际测到的并不只是原始的射线粒子，它也包含由中途碰撞产生的次级粒子。因此当我们从宇宙射线中发现了反质子，它并不说明远处一定有反物质天体区存在。这些反质子完全可能是次级产生的。反原子核就不一样。它是由若干个反核子结合而成的复合体，所以不可能是碰撞产生的次级粒子。因此，如果能从宇宙射线中观测到那怕只有一个反 α 粒子，它将是有力的证据，表明远处有反物质天体存在。阿尔法磁谱仪能同时准确地测定飞入仪器的粒子的质量和电荷。当太空中有反 α 粒子飞入磁谱仪，它是容易被分辨出来的。这正是设计者所期望的事。现在阿尔法磁谱仪升空已有一年了，它接收到的信息正在陆续送回，其结果无疑非常令人关注。牧夫天文网*m7xX7O&l(o#hk

;ef X\m7G0若阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在，那它肯定是一个里程碑式的成果。它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体，更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按现有的物理理论，没有一种己知的作用力能使它们发生大范围的分离。因此，如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质，物理学将需要突破性的变化。牧夫天文网"[mM gB0f)c0h7V|

4 正反物质的不对称疑难

在多数理论家看来，宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。因此，三千万光年的范国内没有反物质天体，已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信，极早期宇宙中正反物质应当等量。这样，需要做的事是寻找物理机理，来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态。这里，理论家也遇到了非常尖锐的困难。

8gX(l\R8v0KFG0按照大爆炸理论，甚早期宇宙介质的温度非常高。粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。当粒子的成对湮灭与成对产生达到统计平衡，宇宙介质就是一切基本粒子构成的混合气体，且任一种稳定或不稳定的粒子都有接近相等的数密度。至于重子和反重子的数目是否严格相等，这不是由物理规律决定，而是由初条件决定的。牧夫天文网W-B"E-OTO

-kge"zvq6x]0在理论家看来，在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出，若这想法是对的，重子的守恒性立即会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至10 13 K以下，由于粒子的热动能已不够，热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终，宇宙中将既没有重子，也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景。事实上，今天宇宙中光子的数目最多．重子的数目是它的十万万分之一左右，反重子的数目很可能还要低许多量级。如果重子数B的守恒性是严格的物理规律，要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后，理论家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子，那么问题的出路在哪儿？牧夫天文网7F!{L.^H$O g`Q`

重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗？至今难以计数的拉子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例，但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴。化学反应是元素的重新组合。经验表明，在重组合的前后，每一种元素的原子数是守恒的，无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败，更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识后人们已清楚知道，汞变成金完全可能，关键在于要有高的能量让原子核发生变化。化学反应是在粒子能量小于1eV的条件下进行的，这条件下原子核不能相互接触，核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过1MeV，原子核之间就能充分接近，那么原子核就能变化了，原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来，原子数在化学过程中的守恒不是偶然的，但是它仅是低能下的唯象规律，而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理，重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律，而不是普遍成立的。当粒子的能量更高，重子数的守恒性完全可能会不成立，这正是今天的理论家看到的出路。

GZ1c)uO2b0从70年代中期起，粒子物理中由弱电统一理论的成功，掀起了研究相互作用大统一的潮流。按这样的理论，高能下发生破坏重子数守恒的过程是自然的事，粒子物理中的这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合了。于是这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展。人们已清楚，要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质为主的状态，除了重子数守恒须可能被破坏外，正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别。由于超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握，因此实际上自然界是否确实具备这两个要素，尚不能回答，人们正在试探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实，问题是否能按这思路得到解决也还并不完全肯定。

i e`.oDOS0总之，为彻底揭开宇宙反物质之谜，前面还有漫长路要走。人们已能预料，这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的，它对物理学的影响也将是很深刻的。牧夫天文网p:o,@h5B#G

`8v,ykVajlc0众所周知，人类现在正面临全面的能源危机。让我们看一看世界能源大会 1995 年版《能源资源调查》中关于 1993 年世界能源统计数据：

qtz!H!Pj1V,M&[9jrx0　　1 煤炭：世界名国煤炭探明可采储量：烟煤、无烟煤 519.4Gt ，次烟煤 197.1Gt ，褐煤 315.Gt ，合计 1031.6Gt 。 1993 年年产量烟煤、无烟煤 3.169Gt ，次烟煤 0.374Gt ，褐煤 0.931Gt ，合计 4.474Gt 。储采比 230 年。

b2s*SD(I0　　2 石油：世界各国石油探明可采储量：原油 138.3Gt ，天燃气液 2.4Gt ，合计 140.7Gt 。 1993 年年产量 3.197Gt ，储采比 44 年。牧夫天文网"v^1e-_b%y

f7t cm y)S5v?^0　　3 天然气：世界各国天然气探明可采储量 14.1Tm3 ， 1993 年年产量 0.2485Tm3 ，储采比 57 年。牧夫天文网6JU6F:GU8Wb9D

.up vlM5z7uciL0　　4 核能：世界各国铀矿探明储量 3.67Mt ， 1993 年年产量 32171t 。储采比 114 年。牧夫天文网zYm"x0o
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　　同时人类也在大力开发可再生能源如：太阳能、核聚变能等。但我们应该认识到，所有这些能量都可以用一个具体的数字来衡量，即它终究会耗尽，那么有没有真正的无穷能量呢？答案是肯定的，根据爱因思坦质能方程 E=mc2, 正反物质湮灭时将产生巨大的能量，且宇宙物质无法用数字来衡量。牧夫天文网1R'EG+{C

,Y%~-u;JP^B|d0　　反物质牧夫天文网+t&e*IL6C

$~BVDF-B,g0　　顾名思义，反物质就是普通物质的反状态。物质由分子和原子组成，原子由带负电的电子和带正电的原子核组成，如果带正电的电子和带负电的原子核组成原子就是反原子，由反原子就可组成反物质。牧夫天文网-O/`$Bs?yIQ

&Rp.ip\-q}0　　反物质研究始于 20 世纪 40 年代后期，但进展极为缓慢。 1995 年钱姆伯林（ Chamberbin ）用加速器将质子加速到 6Gev 去轰击铜靶，生成物∏ˉ（介子）与质子比例为 50000 ∶ 1 。牧夫天文网/MO1k8gr4?,t-C&D

　　为进一步探索反物质之谜，科学家在实践上采取了两种途径，一是在自然界中寻找反物质，二是在实验室中制造反物质。

a!A9PJ@ pV.T`0　　1997 年 4 月，美国海军研究实验室、西北大学和加州大学伯克利分校等五个著名研究机构的天文学家宣布，通过观测到在银河系上方约 3500 光年处高于可见光强 25 万倍的伽马射线间接证明了反物质源的存在。由于受大气干扰，地面上很难“捕捉”到反物质，因此科学家们把目光投向太空。为在太空寻找到反物质， 1998 年 6 月，美国“发现”号航天飞机带着由中国科学家制造的当代最先进的粒子物理传感仪：阿尔法磁碰议发射升空。 2002 年，它被送上国际空间站，进行更进一步的数据采集。

　　实验室制造反物质进展较快， 1995 年欧洲核子研究中心（ The European Organization for Nuclear Research ，简称 CERN ）的科学家们利用加速器将速度极高的反质子射流射向氚原子核产生正电子，正电子与反质子结合形成一个反氢原子，在 15 小时的实验中，共观测到 9 个反氢原子。但由于反氢原子处于正物质包围中，经历一亿分之三秒（ 3 × 10-8 秒）后正、反物质发生湮灭。 1996 年美国费米国立加速器实验室成功制造了 7 个反氢原子。 2000 年 9 月 18 日欧洲核子研究中心在世界 9 个研究所， 39 名科学家的通力合作下宣布已成功制造出约 5 万个低能态的反氢原子，这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质，是反物质研究的“一个重要里程碑”。牧夫天文网9mk^?hZ'c&z-j

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X7C0　　反物质原子合成牧夫天文网%\)AG a,B2a

　　2000 年 8 月 10 日，欧洲核子研究中心宣布投入使用“反质子减速器”，科学家们从而更容易地制造出大量反物质原子。反质子减速器是一个圆形混凝土盒，周长 188m ，耗资 1150 万美元。它利用磁场将高能反质子和正电子冷却、减速和聚积，最终在电磁场束缚下形成大量反氢原子，这些“冷”反氢原子温度仅比绝对零度略高几度，为以后研究其特性提供可能。

　　由上述我们可以看出，要制造出大量反氢原子并进行研究必须解决三个最重要的问题，一、反质子、正电子的大量制备。二、反质子、正电子的减速冷却。三、反物质存储问题。

　　第一个问题：反质子的电荷、磁矩与质子反号，质量、寿命、自旋与质子相同，记为 P 。现在科学家们一般用速度接近光速的核子轰击靶核生成反质子。正电子由速度极高的反质子轰击氚核而产生，其反应截面相对较高，由此，正电子问题可转化为上面反质子的制备问题。

`4` bT(@/}"f`A0　　第二个问题：反质子和正电子的“冷却”。在正物质占绝对优势条件下，只有将反质子和正电子的速度降下来，才能获得较大的反应截面，在其发生湮灭前形成反氢原子。

#_ x+Kk,mh0　　反质子减速器通过与粒子流平行的强大磁场将粒子流束缚在一个较小区域，并用反向电场对反质子进行减速、探测、分离。正电子也可用这种方法进行“冷却”。牧夫天文网#Hi2o_*W!hZ3d

e9?%Q#h)td"mO;h0　　第三个问题：欧洲核子研究中心的科学家杰拉尔德?加夫列尔瑟领导的一个科研小组将反质子和正电子汇合在被称为“粒子陷阱”的结构中。由于等离子体可以保存在个有适当电磁场结构的“陷阱”中，并在德拜屏蔽长度λ d （ 0.024 － 0.0024mm ）限制下处于稳定状态。只不过要想存储更多的反物质，还要对“陷阱”作更进一步的研究。

C6p-I*P+~B v,Z0　　为什么人们要合成反氢原子而不是直接利用反质子进行正反物质湮灭呢？因为原子更趋于稳定，有利于更深入地研究、存储及利用。反氢原子是构成所有反物质的基本粒子，在获得能量方面人们不用去合成更复杂的反物质，只要能够大批量地生产反氢原子，使其与氢原子湮灭则将获得无究的能量。目前，人类还不能得到反物质能量节余，其本质原因是只实现了能量到反物质的转变，如果实现了物质到反物质的转变，人类将会得到副余能量。我们由此想到了物质与反物质的差别即反物质结构研究，从而最终实现物质到反物质之间的转变。

N5j-~qi$t;{8Bx0　　反物质原子内部结构

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i6{a+Zv*z lY0　　2000 年 10 月 29 日，在欧洲核子研究中心，由哈佛大学加布里埃尔斯教授领导的研究小组宣布首次成功研究了反物质内部结构和物理特性。他们通过反质子减速器制备出“冷”反氢原子，并用强电场对其进行“撒裂”，通过测量拆散反氢原子所需电场的大小就可以知道反氢原子内部反质子和正电之间结合的紧密程度，从而首见“瞥见”反氢原子内部状态。

　　科学家们一直认为在宇宙之初形成了等量的正物质和反物质，但今天我们的世界由正物质构成，这说明正、反物质在内部结构和物理特性上存在差异，如果能找到这种差异则对于我们合成反物质和解释宇宙发展过程有着极为重大的作用。牧夫天文网5g&T{+tP(Nq

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{.C!j5|$|;bQ#Q0　　那么正、反物质原子内部结构上是否真的一样呢？让我们先了解一下基本粒子。

Y?^-{1h0　　基本粒子种类、数目如下表：

轻子 轻子 重子 合计牧夫天文网t'UGkD5o bm)p;i$ST
已经确认 6 ＋ 6 100 149+149 410牧夫天文网 B,{-} Bz6p u
未经确认 0 59 157+157 373
.[#M b/Vj&DD"Xn)e!A!~:m0共 计 12 159 612 783

　　轻、重子是费密子，费密子和反费密子除电荷不同外，固有宇称也不同，故分开算。正、反介子电荷不同，但宇称相同，故只算一种。 1956 年 Hofstadter 发现质子、中子并不是物质世界的最基本粒子。质子电荷半径约为 0.8fm, 中子电荷半径约为 0.34fm 。从而引出了强子谱的研究，得出强子由夸克组成的假定。电子和核子的深度非弹散射（ DIS ）最终证实了核子内存在夸克。科学家们认为物质世界由夸克和轻子组成，四种相互作用则通过交换玻色子来完成。

　　科学家们用味来表征夸克特性，并通过夸克味自由度的发现得出夸克是构成其他粒子的基本概念。牧夫天文网O.VPS+`'eh

　　距今，人们一共发现了 6 种夸号。

　　各参数如下表：

夸克 Q Iz C S T B 质量
#J1XG`9O-~(d%A IQ0上夸克 u 2/3 1/2 0 0 0 0 1 ～ 5Mev牧夫天文网)c ag#g mFl@
下夸克 d －1/3 －1/2 0 0 0 0 3 ～ 9Mev
o!K\C%Z$@9z0粲夸克 c 2/3 0 1 0 0 0 1.15 ～ 1.35Gev

奇夸克 s －1/3 0 0 -1 0 0 75 ～ 170Mev牧夫天文网nE9p%u-PF
奇夸克 s 2/3 0 0 0 1 0 174.3 ± 5.1Ge牧夫天文网)_&Q'rP l+`
底夸克 b －1/3 0 0 0 0 -1 4.0 ～ 4.4Gev
,Vd](Qb6a^0注：Q 、电荷数 　　Iz 、同位旋　 z 分量 　C 、粲量子数 　S 、奇异量子数 　T 、顶量子数 B 、底量子数

牧夫天文网+\'h h-Jh+w7A
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　　每个夸克所带重子数为 1/3 ，并带一种色，每个夸克共有 3 色，类似电荷间相互作用，夸克间的相互作用依赖于夸克的色，通过交换胶子（由三代电子正电子对撞机研究发现）夸克可以同带有其他任何色的夸克相互作用。

　　目前夸克相互作用基本理论由量子色动力学（ QCD ）描述。牧夫天文网'v$a,o&u%J5WX:\:u

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u8c:Y+m_j"~X0　　自旋为 1 胶子是玻色子，理论上有 9 种胶子：色单态和色八重态，但色单态被证明不存在。

.W Y8`k3m[5~;y!a7E0　　到目前为止，人们发现所有可观察到的独立强子态都是色单态，对色单态交换强子中的任何两个夸克都是完全反对称的，实验上，人们还未分离出任何色三重态描述的单个夸克，人们认为只能分离观察到处于色单态的强子，观察不到独立的单个夸克的事实也表明夸克和胶子间的相互作用在长程范围内一定是极强的。在实验方面还未分离出任何一个单个夸克，这使得人们认为夸克在强子中的大空间范围内的行为可以描述为囚禁在强子内。牧夫天文网`0wi-F o u

　　科学家们一般认为重子是唯象夸克模型：三夸克束缚态。这种理论已经成功解释了目前所知重子的所有性质。这引起我们对反质子、反中子的夸克模型的思考。若仅从电荷等一些基本参数考虑，可初步认为反质子、反中子由质子、中子所对应夸克的反夸克构过，这显然需要具体的实验数据来证实。在解释过程中我们还应当考虑反夸克间组合形式与夸克间组合形式的差别，不能单认为是反夸克即可。三代夸克间组合遵守一定的内在定律，只要人们找到这种定律。在外加条件下诱导其发生组合形成的转变。（这在现今夸克囚禁理论下被视为不可能，但我们应充满信心。）

　　从物质到反物质的转变牧夫天文网JA)L.^\\~

*Z#{ ^3[C'l'?%h0　　前面已经提到，人类现在还只能实现能量到反物质的转变，离物质到反物质的转变还有很长一段距离。大统一理论预言存在质子的衰变： P →∏° +e+ ，衰变寿命为 1032 ± 2 年，这使我们得到了物质到反物质转变的肯定答案，并且正在被中微子探测器所证实。 [8] 这引起我们对较大核诱导变成反质子、反中子等基本反物质粒子的思考。当然我们应更多地认识到这种衰变所需的完善理论和实验证实，所以还应当从物质基本相互作用、组成形式等方面入手，一步一步走向成功。

^ s9Q-U-|-dkrg6a0　　结束语

1`0e$fY G#@:k8a0　　反物质的巨大魔力正驱使着人类投入巨大的人力、物力去研究它，我们坚持人类将不在久的将来揭开反物质之谜。牧夫天文网[%YQx8G

!\u"j v["O0　　欧洲核子研究中心正在建设世界上最大的加速器——强子对撞机。这一对撞机得到欧洲国家和美国、日本、俄罗斯等国家的支持，预计将于 2005 年建成投入使用，估计总耗资 60 亿美元。科学家们认为，随着一系列研究工具的投入使用和世界各国的通力合作，人类将真正获得反物质所带来的无穷能量。

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反物质的原子由带负电的原子核与带正电的电子组成牧夫天文网.w8X0i+?B sT

　　物质均是由分子和原子组成，而原子又是由带负电的电子和带正电的原子核所组成，如果由带正电的电子与带负电的原子核组成原子，那么就是反原子，由反原子就可组成反物质。物质和反物质相遇会爆炸形成光辐射 ( 称为 “ 湮灭 ”) ，并释放出一阵 γ 射线暴。据科学家们估算，每百万分之一克的反质子与质子发生湮灭 ( 爆炸 ) 后释放的能量相当于 37.8 公斤的 TNT 炸药，其威力之大令世人震惊。

U)jE&z9gY!S3R4@0　　据俄罗斯《科学》网 10 月 6 日报道，美国军方现正在秘密研制以反物质作为弹药的 “ 质子炸弹 ” ，并已在这方面投入了大量资金。美国空军实验室介绍称，这种反物质炸弹可能会成为一种令人难以置信的强大武器。牧夫天文网w4k4D dMKA

　　反物质武器就是利用反物质的物理特性制成的武器，这种武器的研制到目前为止还在秘密进行之中。对反物质的研究很早就已开始，只是因为研究手段的制约一直进展缓慢。直到 1986 年，研究人员在磁陷阱中首次捕获到反质子，而后又进一步发现很多粒子都存在有反粒子。由此人们推测，在这个世界上还存在有一种完全由反粒子构成的物质，也就是反物质。根据研究发现，极少量的物质同它的反物质相互作用，能够释放出极大的能量。几微克的反物质放出的能量，就可作为热核反应的扳机，或者可以激励出很强的 X 射线或 γ 射线激光，因此反物质在军事领域有着极为广阔的应用前景，成为目前各国研究的重点。牧夫天文网S(v!klNv

　　反物质武器属于第四代核武器，使用后没有放射性沾染等核污染，可视作 “ 常规武器 ” 的核武器。牧夫天文网Mp j7Sh/H1S

与传统核武器不同的是，反物质炸弹爆炸后不会形成任何辐射性残留物牧夫天文网K0J'@\?$u

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反物质的原子由带负电的原子核与带正电的电子组成

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反物质炸弹可能会成为一种令人难以置信的强大武器

　　所谓第四代核武器，也就是能够在使用中不产生剩余的核辐射，没有放射性沾染等核污染，可视作 “ 常规武器 ” 的核武器。反物质是目前研究的第四代核武器中最重要的一种。在美国费米国立加速器研究所、法国和瑞士合建的欧洲核研究中心以及俄罗斯的高能物理研究所，都在进行反物质的生产和研究。牧夫天文网a(_v}co[dZ

g|'G5Vh)t0　　众所周知，第一代核武器是用铀或钚制造的原子弹。现在，制造原子弹的技术已广为人知，无需进行核试验就可以研制成功，因此这种武器的扩散已成为当今世界的主要威胁。

　　第二代核武器是热核武器，即氢弹。研制氢弹需要进行广泛的核试验，经过 50 年的发展，制造这种武器的技术已经成熟，再要取得突破性进展已不大可能。全面禁止核试验条约目前能够被核大国所接受，从技术上说，这是一个主要的原因。牧夫天文网1QL
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/O&n.P1~L2qI&y0　　第三代核武器是效应经过 “ 剪裁 ” 或增强的核弹。研制这类核武器同样需要进行核试验，因此受到全面禁止核试验条约的限制。牧夫天文网z[5y r0X i%z

kp6O].Qy"N(w+Xl r0　　第四代核武器是以原子武器的原理为基础，所用的关键研究设施是惯性约束聚变装置，因此它的发展不受全面禁止核试验条约的限制。在军事上，由于这类武器不产生剩余核辐射，可作为 “ 常规武器 ” 使用。只有那些拥有第二代核武器、掌握先进技术的发达国家才有能力发展第四代核武器。而反物质武器就是美、法、俄等国正在研究的一种第四代核武器。牧夫天文网t3\,\ r)NI5u)i1AAM

/l3p/nh |3rW0　　反物质释放出的能量约为一个铀原子核裂变时释放出能量的 10 倍，反物质武器在军事上具有巨大的应用潜能。牧夫天文网 r8zn5X9s U[q

0[v+h:Hm#{0　　1928 年，著名的物理学家狄拉克通过数学计算，提出了一项大胆预测：在宇宙中，存在着一种新的粒子，这种粒子除带正电荷之外，所有性质都与电子相同，即带有正电荷而质量与寿命都与电子相等的粒子 ( 反电子 ) 。 4 年后，美国物理学家安德逊首次采用照相法，发现了宇宙中的反电子。继人们在宇宙射线的分析研究中发现反电子之后，科学家又多次尝试在宇宙射线中发现反质子，但一直未获成功， 1954 年，美国贝克利的质子加速器建造成功，借助这台质子加速器，人类终于在 1955 年首次发现反质子。

　　世界上的任何事物都是异性相吸。粒子和反粒子一旦相遇，便会通过碰撞而同归于尽，互相湮没，其全部质量都将以辐射形式转变为能量。这种辐射通常是电磁波。根据爱因斯坦相对论中著名的质能换算公式 E=mc2 ，微量的反物质便能产生惊人的巨大能量。前不久，美国兰德公司在一份反物质实验报告中指出，当 1 克反物质与 1 克物质相互碰撞湮灭时，放出的能量是 5×107 千瓦 / 小时，约为 6 兆瓦年。科学家认为，发现半个多世纪的反物质现在到了充分研究与实际应用的时候了。牧夫天文网-c0jB_ U6C+[

　　科学的发展往往在军事上有着超人的前瞻性。当人们还在探索如何产生、如何稳定反物质时，反物质武器的设想就已出现。因为，直到 1989 年 7 月，欧洲核物理组织首次 “ 捕获 ” 到反质子，其生成率达 107 反质子 / 秒，但由于试验条件还不够稳定，反质子仅保持约 10 分钟。

dIo/Z'|@;Vak0　　早在二战之后，美国 “ 氢弹之父 ” 爱德华 · 泰勒就在他的著作中谈到了反物质在军事上应用的可能性。 50 年代，威德曼和他的同事也发表了反物质点燃氕氚燃料方面的著作。 1986 年，法国科学博士介皮华恩说，科学家们正在进行反氢的制造，把反质子注入超流体氢中，研究普通物质的超稳态，希望从这一实验中真正了解反物质是否能够转换成一种新的核能形式。

　　理论计算表明，如果一个反质子和一个质子相互进行湮没反应，其释放出的能量约为一个铀原子核裂变时释放出能量的 10 倍；如果考虑湮没反应在物质中引发的次级效应，那么这种反应就将释放出更多的能量。正由于此，军事科学家才断言，反物质武器在军事上具有巨大的应用潜能。

Z0ci5k)`L"kJN0　　反物质武器的出现将会使现今所有的热核武器黯然失色。军事专家预言，一旦研制成功，人类将面临新的更大的灾难。

2Li?#I'yQd L4h }HO0　　自从反物质出现于人们视野以来，科学家们就未曾停止过追寻它们的步伐。其中，美国的洛斯 · 阿拉莫斯和劳伦斯 · 利弗莫尔核武器研究所、费米研究所、西雅图的华盛顿大学以及欧洲核研究组织中的法国、意大利等国的科学家们均做了大量的工作。目前，他们主要在探讨制造反粒子的方法和研制 “ 捕捉 ” 反物质的 “ 陷阱 ” 。

　　前苏联从 50 年代就在其 “ 氢弹之父 ” 萨哈罗夫的领导下从事反物质武器的研制工作。前苏联科学家认为，在核物理领域中进行湮没反应，其制造成新武器的作战威力将大大超过目前最完善的热核武器。 1983—1984 年间，美国兰德公司曾耗资 200 万美元为美国空军进行了一项生产和使用 10(13) 反质子 / 秒的可行性研究，结果得出，反物质的 4 项军事用途：一是用作超高速火箭的推进燃料；二是用作空间轨道上军用站以及其他领域的超小型、超轻型能量发生器；三是用作启动各类核弹；四是用作集能速武器。牧夫天文网3@6t#es|(IME

　　军事科学家们认为，反物质军用的最大优点就是能量密度极大且易于点燃，不像原子弹裂变反应那样要求临界质量，也不像氢弹聚变反应那样要求起始的点火温度。

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ml1z~0F\&^_0　　反物质武器的出现将会使现今所有的热核武器黯然失色。显而易见，要想得到 1 克反物质是一件非常不容易的事。且不说技术上的难度，仅它的生产费用至少也要花费 10 亿美元以上。尽管反物质武器的研究应用现今还处于探索阶段，但科学家坚信，反物质特别是反质子，必定能够为未来提供一种极有军事应用前途的技术。牧夫天文网`$M7Q4Z4k*e E B

`9k,]R4m/r^0（编者注：此篇材料是丁肇中先生的演讲记录。在五个小故事中，折射出丁先生的“大科学”课题构思，国际间科研合作热情，丰富想象力的科学家思维方式，值得科研工作者学习、借鉴。但因本文系演讲材料，比较口语化，加之部分专业术语，文字有异于正规文章，阅读时可读性显得稍差，特此说明。）牧夫天文网 g3Bup3AQ5G

　　吴建民：各位老师、各位同学，我们非常高兴请到著名的物理学家丁肇中教授给我们讲课。今年五月份，丁教授邀请我到他家里做客，当时我已知道我要到外交学院来工作，我就向丁教授提了一个要求，我说能不能你到外交学院讲一讲课，丁教授就同意了。既然他同意，表明他对外交学院的同学、老师们的关心，我们对他的到来表示热烈的欢迎。牧夫天文网+V0N%s0?%H_;Va
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L0A'm0　　肯定大家会问我们是外交学院，为什么请著名的物理学家丁教授给我们讲课呢？道理很简单，外交，优秀的外交官是通才，而不是专才。人们讲是杂家，懂的世界很广，尤其对科学的理念问题，我们要有一定的认识，这样才能够当一个优秀的外交官。今天丁教授给我们的讲的题目，对过去三十年物理研究的回顾。丁教授做事情非常的严谨， 40岁得了诺贝尔物理奖，大家知道诺贝尔物理奖是很难得的一个奖，得奖人的年龄都在60岁以上，丁教授工作比较突出，40岁就得奖，他一直非常勤奋的工作。他现在在国际太空站搞一个实验，就是AMS，研究有没有反物质。我问他一个问题，你怎么想起这个点子的——反物质，他说我是在家里散步的时候，我到他家里，家里有小树林，他经常在那里散步想出一个问题，科学家脑子不断想问题，这种精神非常值得外交学院的同学学习。今天我们外交学院举办这次活动，新闻媒体非常的重视，有新华社、人民日报、光明日报、北京晨报、中央电视台、中国教育电视台、中央人民广播电台、中国国际广播电台，还有新浪网，来报道我们今天的活动。我特别提一下新浪网总裁汪延先生也来了。

　　丁肇中：我非常高兴到这来介绍我做什么，我是花钱最多、经济效益最少的人。我说的事情就是“寻找宇宙中最基本的结构”。在中国的古代对物质基本结构有两种不同的看法，第一种看法就是最基本的结构和粒子，粒子是可以数得出来的，另外一种宇宙中最基本的结构是连续性的。粒子的观念起源就是阳和阴。连续性观念的起源是公元前六百年道家创始人老子，他认为最基本的东西是永远摸索不清的。对一个外交官来说，这种观念是非常有用的。原因是什么？最大的受用就是韩国的国旗。

WA [|(js|:t z0q%]0　　在西方国家过去二千年，对基本粒子也有不同的看法，在二千年以前，西方认为土气水火是最基本的，在 16世纪的时候，认为最基本的东西除了土气水火还有水云、盐等，在一百年以前，所有的科学家都认为我们已经知道宇宙中最基本的东西是什么，宇宙中最基本的东西就是化学元素，所谓周期表。在60年代，我们认为宇宙中最基本的东西是原子核，也有一百多个。到了60年代末期，我们认为宇宙中最基本的东西不是原子核，而是好几百个基本粒子。现在我们认为宇宙中最基本的东西是三种氢子和六种核壳。

SzL q,S!u/a$S0　　现在我向大家介绍一下我所经历的实验物理和我的体会。我向大家说五个故事。第一个故事，就是测量电子半径，大家知道电子是一百年前由英国杰汤姆斯发现的，电子是我们生活中最重要的。在 1948年，有一个电子理论，这个理论说电子是没有体积的，换句话说，没有半径。这个理论被所有的实验证明，汤姆应该获得诺贝尔奖。到1964年，有些专家做出的实验同时证明电子半径是负13次方厘米。怎样测量电子的半径？测量东西不是用光来测量。为了测量电子的半径，麻省理工学院和哈佛大学做了周长1千英尺的电子加工器，一共有60亿光，然后哈佛大学和麻省理工学院用这个光来测量电子半径。在60年代物理学家最重要的一个实验就是麻省理工大学和哈佛大学的实验，当时这个实验太重要了，所以我决定重复这个实验，是我第一个实验，很累人。

fZ$CXyT ^0　　到了 66年我在德国用不同的方法做这个实验，发现电子的半径确实小到不可琢磨的，我实验的结果完全符合电子半径为零的理论。这是当时做的仪器，这是磁普仪。我的第一个体会，对于做科学的人，不要盲从专家的结论。因为我没有做这个实验以前，另外几个实验都是世界上最有名的专家所做的。牧夫天文网n9o F3g!Ps-z4o

　　在 60年代末期，人们对宇宙的观念是这样的。原子外面有电子，原子里面有原子核，原子打开有粒子。所以我的第二个故事就是讲氢粒子加速的发现。到了70年代，所有已经知道的基本粒子已经好几百个，都可以归结为三种物质中子，我就问为什么宇宙中间只有三种元素，为了寻找新的元素，我使用新的仪器。70年代初期我设了一个实验，目的是寻求新粒子中的新物质，要把它找出来是比较困难的。这种实验不受物理学家的欢迎，因为学理论的都说，所有物理的现象可以用三种口号解决，你这种实验是没有意义的。这个实验被世界上每一个实验室所拒绝。牧夫天文网-x1j5b6U.W-tT-d6Z

　　到了 1974年我们在美国纽约完成实验以后，发现新的粒子，发现新粒子以后就很快发现了另外一个元素，它被所有的粒子活动，换句话说，它可以重三倍左右，这并不奇怪。最奇怪是这个元素比其他的粒子寿命长一万倍，什么意思呢？大家知道所有的人活到一百岁，突然找到一个村庄能活到一万岁或十万岁的话，那就很奇怪了吗？所以表示说有新的物质存在，这是新的实验。因此只有三种外核是错误。牧夫天文网\
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　　这是当年英国广播公司 BBC来记录我们实验的结果。最近的结果，就是当正负电子能量等于3的时候，突然出来一个想象不到的结果。所以我第二个体会就是说做基础研究，大家有信心做正确的事情，不要因为大多数人反对而改变。

r*W/jt?E5@0　　第三个故事，是胶子发现，大家在念书的时候知道中间是原子核，电子和原子核的力量是由光来传输的。在七十年代我们知道原子核里面裹氪，其中是由胶子来完成。在 70年代末期，我在德国的汉堡，有最大的压缩器，作为加速器看起来复杂，基本原理非常的简单。这个磁铁到电子转弯，这个磁铁就是电子预交，这个实验必须着电子半径。这个仪器做完以后，忽然觉得可能测量有没有焦距存在。怎样测量法呢？就是加速电池的正负兑换，出现三种情况。果然这点是实验的结果。第三点体会对做科学，对意外的现象有充分的准备。

\1f0D9C!\mu]0　　第四个故事我就不太敢说了，我迫切要求合作。我们知道宇宙是由点粒子形成的，也就是说有六个夸克和三种电子，它比电子重四千倍。那就可以问下面的问题了。第一个问题就是到底有多少夸克，为什么只有三种，电子有多大，能不能分为更小的东西，到底有多少夸克，夸克能不能分得更小。做这个实验，过去二十年里我一直在西欧实验室工作，周长 27公里，在地底下50公顷，在这几个地方正负电子对错，里面有一万多个磁铁。基本原理是什么？就是说有一千一亿的电子和一千亿的正电子对号，时间非常短，十亿分之一秒，可以想象有多少高的温度，是太阳表面的四千倍。假如宇宙爆炸，爆炸时温度非常高，我们在实验室里制造宇宙诞生一千亿分之一的时候。我介绍当时我的实验室，外面是磁铁，重一万吨，和原来的苏联合作，里面有一层、一层、三层探测器，乘16厘米、乘16厘米、乘16厘米。大家记得在中学做实验的时候，第一个实验是小线圈，放电进去产生磁场。我的线圈和原理一样，唯一不同是稍微大一点，有500万圈。

|8S:az%N6aF0　　为了测量所有原子里面的东西，我们用了三百吨的油。这个实验室跟这个差不多，把实验室打开以后，有不同的探测器。探测器分为四层，四层做什么呢？第一层、第二层、第三层、第四层，有电子轨道、宇宙轨道、光轨道，其他的粒子有一个轨道。牧夫天文网6^Ab
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RtU*Z.J WU?V0　　这是一个国际合作，有韩国、中国，包括台湾，印度，苏联，欧洲的国家和美国大概 20多个，总共有600个科学家，大概50个研究。在实验开始的时候，正好是冷战的时候，是美国、苏联、中国、欧洲大型国际合作，在开始做这个实验的时候，只有15个国家，后来又变成了19个国家。三分之一来自美国，三分之一来自苏联，这是苏联在国外最大的国际合作，有好几百个俄罗斯人跟我们工作，占三分之一。牧夫天文网+_)|P,b3l1e([4P1m

　　这是一个科学杂质，是剖面图，可以产生粒子，有二千五百个微处理器，发表了很多文章，很厚，有三百个人用来做博士论文。所有的结果可以用一张纸写出来。也就是说宇宙中只有三种不同的电子，普通的电子都已经找到了。第二，电子是没有体积的，它的半径小于 10的负17次方厘米，大家想这是非常奇怪的现象，我们用电一百多年了，永远不知道电子的半径是多少。把眼睛闭着晚上想一想，是非常奇怪的。夸克也是没有体积。很多中国科学家参加这种工作。牧夫天文网VT FY3j"|k$\

　　这也是第一次西班牙人参加国际合作，在 80年代以前，西班牙国家比较保守，当时西班牙派出一批人跟我合作。除了科学以外，对我个人来说，比较高兴的就是有很多的科学家诞生，而且非常有成绩的。比如西班牙自然科学基金的主席，日内瓦大学的校长，牛津大学的教授，这位是东京大学的教授等。牧夫天文网,Q}2^X3Q7H0vy2R"S

　　第四点体会，关于国际合作。也就是说怎样领导一个大的国际活动。我觉得最重要的是要选对科研题目，体现出科学家的兴趣。大家能看重一个题目，这是非常重要的。第二，领导一个大的国际活动，对贡献大的国家要有优先认可，使之得到国际的公认。 32年来，有很多的国际合作，从来没有缺少实验经费。这是我设计实验的时候，从来不要考虑钱。所谓贡献大，并不是说这个国家出钱多，而是这个国家的科学家有重要的贡献。

1JCeS8Q0　　第五个故事，向大家展示一下我现在的合作，就是在国际空间站上研究外太空的反物质，所谓 AMS，在国际空间站。国际空间站现在正在建造，这是一年半以前的图，由美国的宇航员打开，这部分是俄罗斯人做的，这是航天飞机，把舱带过来和空间站接口。这是在哥伦比亚号没有出事之前最好的一张图，已经做了一半国际空间站，里面有三个人。国际空间站长109米，宽80米，重420吨，当2006年以后，空间站是除了月亮和星星以外是最亮的星，等于三个足球场大。这个空间站是美国、日本、俄罗斯和西欧所有国家一起合作的，造价并不便宜。这个实验经过大量的国际竞争以后，是空间站上唯一的大科学实验。牧夫天文网{P1T-T2l r)^"@'_

　　在历史上，天文现象的研究是用光学观察天文，人类最早对星球爆炸的记录就是在公元前 1300年，甲骨文上的记录。星球爆炸的现象，最近被美国的哈勃望远镜重新照下来，这种现象最详细的记录是在公元1054年在中国的宋朝，在宋朝差不多好几个礼拜天有一种现象，我有一张图上有。在宇宙当中有光、有电子、有核子、有原子核和反原子核，过去所有的实验，美国的、中国的、俄罗斯的、欧洲的，都是测量光的，人造卫星就是地面站。除了光以外，在宇宙中还有带电的粒子，因为带电必须要有质量，因为有质量被大气吸收了，所以必须在太空中测，因为它带电，需要磁场分辨的电子核。

　　台湾有很多的单位参加，有中央大学太空计划所，中山科学院，国防科工委和中央研究院。为什么请中国的大学来参加？因为这个实验是由很多大学组成的，包括美国的麻省理工学院、耶鲁大学、日内瓦大学、莫斯科大学等好的大学，更重要是过去一百年里，所有的诺贝尔物理奖都来自于大学，原因是有综合的优势和大量的学子，这就是邀请中国大学生参加的原因。这是空间站惟一的实验，也是美国政府和俄罗斯政府在空间站上的重要活动。大家可能会问，这么大的实验到底要花多少钱？花多少钱在这张图上，这是美国的火箭，我们刚才算上去，把钱放上去，比那个实验还便宜。牧夫天文网/T,g1q7T~ m|m(R

　　对于做这种大的国际实验，常常会有人来帮助你。但这是非常难的事情，因为从来没有人做。所以，我们先在 98年6月用航天飞机把我们的实验带到空间做事先的测量。第二次实验是在空间站做三年到五年，第一次飞行了十天，飞行箭和第二次内径是一样的，唯一不同是用永磁。大家记得在中学二年级第一次念物理的时候，所谓牛顿三大定论，牛顿第二定理就是动量和质量乘速度，动量是在磁场轨道上测出来的。为什么磁场带到天上很困难？加入有一块磁铁，用绳子拴着，它永远是往南转或者往北转。这是多少年航空飞机不能带磁场最主要的原因。这个困难被中科院电工所解决了。中科院所设计的磁铁是由铝铁做成的，航天的铁可以用黄金来算的。第二不漏磁，不影响宇航员的操作。宇航员的呼吸系统到60度的时候自动关闭。第三是没有磁矩，就不会断。这设计的磁铁，外面是铝的，里面是空的。从外面看出来，这个磁场和那个磁场抵消掉了，这是成功最主要的原因。这个问题40年里没有人想出来，后来被中科院的电工所解决掉。磁铁总共有六千个磁铁，胀力是非常大的，做的时候非常的危险。做完了以后，在北京做模拟飞机控制情况，不要让它飞出来。做完以后请美国宇航人员检查此事，根据跟美国达成的协议，所有的物理由我负责，可是安全由他们负责，因为要带6个宇航员到天上去，他们来检查。

　　这是航天飞机，这是固定火箭，这是燃料箱，这还有一个固定火箭。航天飞机最初上升的时候，这两个固定火箭大概 250吨，在千分之一秒，燃料是氧化的，最初二分钟没有办法控制的，所以很容易出事情。两分钟以后，就会掉下来。这是飞行船，八分钟以后这个筒子就掉下来了。在天上飞行10-16天以后，在降落的时候，然后转过来，头向后，然后降低速度，然后滑行到发射场。上空的时候是火箭，飞下来的时候是飞机。

'a5f7Fq&i?.s0　　这是航天飞机在天上离地面 400公里，每小时2700公里的速度，上面有五个宇航员坐在这，这次飞行的任务，最初三天从这个接口由宇航员把水和食物送到俄罗斯的和平号，剩下7天收集数据。这是航天飞机与和平号一百公尺的时候。发现很多很奇怪的现象，第一个现象，在磁道上空离地面400公里的时候，有一个绕着地球的质子环，飞向外空的时候是4200公里。还有一个很奇怪的现象，大家知道所有的宇宙是中性的，从外在空来看，正电和负电的质子一样多，但是发现并不是这么回事。这是赤道，这是北极，正电比负电高四倍左右。这样现象非常的奇怪，想象不到，这是人类第一次把门打开进去，所有的现象都是新奇的。过了几年我们了解这些现象和原因的时候，你会觉得很自然。牧夫天文网TV I5kd-`B%b4~T

fY&j3W_d5@B.p2S0　　实验成功以后，我们在 2006年用182号航天飞机把我们带到空间站。现在我们正在完成这个实验，其中比较困难的是磁铁。大家记得假如电流经过一根普通导线的话就会产生磁场，普通导线有原子振荡，所以会有摩擦产生热，在1911年的时候，荷兰就发现导线冷却到零下270度左右的时候，电子就不动，电子不动的话，原子就不动，原子不动的话，电子就会产生热，这是一个非常奇怪的现象。过去一百年里面，有40多个诺贝尔物理奖。用超导是非常困难的，原因是这个导线跟另外导线中间的力量非常大，有时候有好几吨，这两根导线万一一碰就会摩擦，一摩擦就会产生热，就会导致整个原子热，也就会失超。在90年的时候，87公里的加速器花了30亿美金。牧夫天文网2jcNj'g+~!F

8fzF7v`0　　这个磁铁由很多国家一起来做，美国的宇航局、瑞士、西班牙、德国、意大利、中国的上海交通大学、芬兰和俄罗斯、莫斯科大学，一起来制造，然后在英国组装。创造这些能够利用高空，是高科技发展的新现象，在以前是不可能的。牧夫天文网g$HL5Tp0^b(N5Y~

　　第一个要解决的问题是有没有指南针的现象，没有指南针现象，线路的设计，这是第一次飞行的永久磁铁，第一次和第二次完全一样，唯一不同是第二次的磁场比第一次的磁场高，也就是说比地球的磁场高二万倍。总共 14个线圈，再过几个礼拜，14个线圈就做完了。做完了以后，不代表顺利完成任务，做完了以后是问题的开始。所以一做完以后，要详细检查。怎样检查呢？每一个线圈，都要检查能不能冷却到零下270度，会不会失超，除非你把一个打火机放在旁边。为什么不会失超，因为我们花了很多时间来了解它的工艺，也就是说这根导线外面有一个铝，这铝是百万分之二，同时导线铝中间，中间的距离是一样的，所以不会有摩擦现象，在长105公里之间。导线和另外导线之间没有任何结构，这是很困难的，差105公里。设计最精密的东西，到瑞士看最贵的表是人工做的，所以两位英国人就制造这导线。牧夫天文网5MH6\'L fA*J

V V!\6qW$M F a0　　当温度非常低，接近零的时候有很多奇怪的现象。什么现象呢？我们都知道普通液体的特性是热向冷走。到接近零度的时候是冷向热走。超热体是非常新奇的现象。什么意思呢？这是我们的磁铁，这是切面图，这是正面图，三米半径，三毫米厚，里面的线圈，线圈的热有冷热交换器，当液体的氦蒸发到一半就会变成球状，这样冷热交换器就不能均匀的切下来，所以不能用普通的氦。这个时候，就是超流体，在接近零度的时候，在 4.3度冷到1.6度是非常困难的，至少没有人做过。牧夫天文网B P+X G3@+fV

'{R$u7nSE0　　还有一个小问题，大家会想象到，在空中怎样传送超热体的氦，带 2500度的氦冷冻超热体，自己做一个泵，这个泵就是一个加热器，这边比这边温度高百分之一度，超流体往这走，超热体往这走，互相不会进来。这是很多小小的工艺问题。

M0?'x p-S"r_N~0　　更重要的是因为很少人做过这种，所以任何人计算的数字最好做两道。第二，你来做振动实验、真空实验、模拟航空飞机升空的情况，因为外面非常的薄，体积非常大，你做了振荡以后就不知道有没有金属疲劳，就不能站立。上海的交通大学负责把超导磁铁在地面上冷却到零下 271度，是地面冷却性，分为二步，一是100度冷却到80度，然后从80度冷却到1.8度，这是航天飞机降落的跑道，把仪器运过来以后，会有很多的实验室来测量我们的仪器，把仪器运到发射台时候，A这部分就会带走，只有B这部分，B这部分在航天飞机升空前就把它拿掉。这是很困难的技术。

　　其余的仪器就不一一说了，还有一个值得一说的就是舰艇仪器，大家知道在舰上有一个很好的哈勃望远镜，美国人认为我们这个仪器等于带电的哈勃望远镜。仪器放在天上的时候，所有电能来自太阳能板，有很多信号，总共是 30万个信号，650个微处理器，这个微处理器比现在美国通用的空间微处理器快十倍左右，所以根本没有办法买到。这是做好的各种微处理器。到了2006年，大家没事的时候可以看得出来，要造什么呢？如果宇宙大爆炸的时候，一部分是正物质组成的，一部分是反物质组成的，在三到五年，会测量到20亿个氦，如果20亿个氦没有找到一个反氦的话，就不行了。我们在中国南京东南大学设了仪器和天上一模一样的仪器，如果出现什么事情的话，可以在地面上观察得到。

　　我现在向大家说第五个体会，要实现这个目标，最重要的是要有好奇心，对自己正在做的事情感兴趣。同时要勤奋的去工作。可能有的人会问，你花这么多的力气，花这么多的钱，有什么用处？所以给大家讲一讲，有一位科学家认为通过打破原子转化能量是不合算的，这是非常有名的物理学家。还有一位很有名的科学家，美国人，他说电子从理论和技术而言是可行的，从商业和经济上看，我认为是不可能的，不过是浪费时间的梦想。上一个世纪一个最伟大的英国科学家，他说“ X射线是骗局”，认为是不可信的。总结了以后你就会了解下面。物理学跟这个有关系，这是一百年前的物理学，这是三十年代和四十年代的物理学，这是现在的物理学。一百年以前，最尖端的物理学是光学，现在用在航空、航天、无线电子。三十年代最尖端的物理学，原子类型