我父亲一直想知道,怎么才能储存住无坚不摧的东西呢?托斯切克(Bruno Touschek)帮他找到了答案。因为反物质会摧毁任何物质体,所以只有一种没有物质外壳的笼子才能保存它。这个办法就是制造一个比外太空更加空旷的真空,其中施加电场和磁场来限制住反粒子——比如,正电子或反质子,形成一个环形的束流。
实际上,现在很多物理实验室就是这么做的,比如,欧洲核子研究中心用27公里长的环形磁铁束缚着一团正电子沿着真空管道连续运行数周。这些正电子与光速的相对速度为55米每小时,只要周围的电磁铁能够一直保证它们不碰到真空管的管壁,同时又没有与真空管中残留的气体原子相遇,它们就会一直存在。
这里先不详细讲述这些装置。我们现在需要解决的问题是:反物质要如何存储、运输并且适时使用。很明显我们无法建一条长27公里的环形磁铁,更别说搬着这个大家伙到处跑了。
而且也没这个必要。欧洲核子研究中心的巨大磁铁环可算科学成果的一个巅峰,经过特殊的设计,它能将反物质加速到几乎接近自然速度的极限——30万公里每秒。早在1960年,科学家们就提出了欧洲核子研究中心的最初想法和技术可行性。而其发明者是一位奥地利科学家托斯切克(Bruno Touschek),虽然当时他和所有人一样,都不会想到这会用于存储反物质。
第二次世界大战期间,托斯切克一直在汉堡进行雷达研究。他的一个同事是挪威人维德勒(Rolf Wideroe),此人在20年前就想到用一连串低加速电压的小加速器组成大家伙来加速粒子。在维德勒规划的蓝图中,要使用电场对粒子进行直线加速。接着,美国的劳伦斯(Ernest Lawrence)使用磁场成功将粒子的轨迹控制成一个环形,从而使得粒子可以多次穿过相同的加速区域。劳伦斯的“回旋加速器”导致了现代高能物理的诞生,他也因此获得诺贝尔奖。但即使是现代加速器也无法满足维德勒的基本理论,他之后提出的新理论才打破了这种限制。
1943年,维德勒申请了一项技术专利,设计用于存储和对撞沿着相同轨道反向运动的粒子。但是专利局拒绝了他的申请,理由是这项技术“没用”。但是在15年之后,其他人却将这个技术投入了实用。如果你将两个粒子对射,它们撞上的可能性会很小,基本都是擦肩而过。但如果你将粒子累积起来,到了一定数量之后再将两束粒子对射,那么很有可能两个反向束流中的粒子会正好在同时同地相遇。
1959年,这个“没用”的想法首次投入应用。一个美国团队建立了两个“储存环”,使用磁铁将电子约束在其中。其中一个环内,电子在磁铁控制下顺时针运动,而另一个环内的磁场反向以控制电子做逆时针运动。
也正是这个时候,托斯切克想起了他在第二次世界大战时与维德勒的讨论,由此他产生了一个想法:正电子和电子质量相同电荷相反,如果一个磁场将电子向左偏转,那么就是说会把正电子向右偏转。要把电子偏转到相反方向上需要两套磁铁,那为什么不只用一套磁铁就将电子和正电子反向偏转呢!这两束粒子将完全按照相同的轨道反向加速,从而获得相同的能量。
托斯切克和一个研究小组在罗马附近的佛拉斯卡帝(Frascati)实验室建起了ADA装置(“ADA”是意大利语“Anello d’Accumulazione”的简称,意思是储存环)。整个装置直径仅有一米。他们成功地储存了电子和正电子,标志着反物质首次被人类驯服。之后这个装置被装进货箱运到了巴黎附近的奥尔赛,那里有更强的电子束流。
正是在1963年的奥尔赛,人类首次成功储存了强的正电子束,同时使其与电子束对撞。这两束独立的电子和正电子束中的粒子会偶然地相撞,然后这对正负电子会湮灭成一道光。所以我们可以自由控制,想储存的话就有办法储存,想湮灭它们也可以让它们对撞。
在之后的30年中,科学家们建立了越来越大的储存环,其中储存的电子和正电子能量也越来越高。通过探测正负电子对撞和湮灭,他们发现这是研究物质来源和性质的一种绝妙方法,也由此产生了无数的诺贝尔奖得主。迄今为止,最大的此类装置就是欧洲核子研究中心的LEP——大型正负电子对撞机,正如这章开头提到的一样。近年来,一些小型储存装置也先后在斯坦福、日本以及它的故乡佛拉斯卡帝建立起来,用于在特定情况下对撞正负电子,以期望揭示出物质和反物质的更多差异。在第8章中我们将就此作详细介绍。
这些类似的装置都表明,物质与反物质之间有着极度的对称。正负电子束流在正负电子对撞机中反复运行,然后同时在固定地点碰头,这证明它们对于引导磁力的响应是相同的。正是正负电子具有精确抵消的电荷和完全一致的质量,才导致它们会按照预设的轨道反向运行。质子和反质子在磁场中的回旋运动也是如此,通过测量它们的运动轨迹,我们发现质子和反质子在十亿分之一的精度上仍然是相同的。