磁瓶中只能储存很少量的反物质。正电子和反质子会单独存在,其限制因素类似电荷的相互排斥。因此无法将它们大量的聚拢,否则会导致它们之间的排斥力迅速增大,超出了磁瓶磁场的控制能力。实际上,磁瓶会泄露,而反物质会被摧毁。要解决这个问题,一个办法就是将反质子和正电子放在一起,构成反氢原子。不过这又会带来新的问题:原子是电中性的,而电场和磁场无法控制电中性粒子——它们几乎瞬间就碰上普通的物质(如碰上容器壁),然后就湮灭掉了。
1995年之前,可能还没有一个反物质原子曾经在宇宙的历史上存在过。宇宙射线中的正电子和反质子不期而遇时,它们的速度非常快,导致它们会继续各走各路,而不是停留下来构成一个原子。但是在这一年,欧洲核子研究中心的一个团队首次合成了少量的反氢原子,一切也就随之改变了。
低能反质子环(LEAR)内部循环的反质子偶尔会接近重元素的原子核。相互擦肩而过的两个反质子足够接近时,会产生一对正负电子对,而它们自己也会幸存下来;有极小的概率,反质子和正电子会包裹起来形成一个反氢原子。
1996年,欧洲核子研究中心宣布他们制造出了9个反原子,这个消息很快传遍全球,报纸、电台、电视上到处都是这个新闻。然而,反原子的存在时间极短,这意味着不能用于更多的研究。这项工作的意义在于制造出了反原子,只是它们仅能存在不到一秒,然后就被周围的物质摧毁了。
低能反质子环在1996年停止了运行,代替它的是一台用于产生和慢化反粒子的装置,旨在制造反物质。新装置叫作“反质子减速器”(Antiproton Decelerator),简称AD,其中的磁铁会控制住反质子,强力电场再将它们减至相对缓慢的速度,约为光速的百分之十。反质子减速器实际上算是之前的反质子收集器的升级版。唯一的重要升级在于改进了真空系统,使用了低能反质子环之前采用的真空机制。
接着又进行一个叫作“ATHENA”(反氢仪器)的实验,将反质子从反质子减速器中引出,然后捕获了大概10000个反质子,将它们放在一个磁性笼子里,在这里做进一步慢化处理,其速度会降至光速的几百分之一。下一步,从某种放射性核素的衰变中收集到约7500万个冷正电子,将这些反质子和正电子混合,然后进行第二次禁锢。最终这些正电子和反质子被输送到第三级的“混合”陷阱中,在这里“冷”反氢原子最终形成。
如何知道反氢仪器实验成功了呢?当一个正电子和一个反质子结合形成一个中型反氢原子时,它会从禁锢电磁场中逃离出来。这个反原子会碰撞周围的原子,其中的反质子和正电子会与周围原子中的质子和电子分别发生湮灭。如果同时测量到反质子和正电子的湮灭,那么反氢原子的产生就铁证如山了。
2002年,反质子减速器再次成为人们关注的焦点。这一年反氢仪器和另一个实验反氢陷阱(ATRAP)一起,首次成功地产生了数万个反氢原子,这个数目足够用来开展反物质气体研究。2002年8月,恰逢狄拉克诞辰一百周年,反氢仪器实验第一次观察到了反氢原子的清晰信号。一个月之后,反氢陷阱也宣布首次观察到了反原子。人类有望最终可以观察氢原子和反氢原子在电磁场和引力场中的行为有何不同。物质和反物质之间的任何细微差别,都会深远地影响我们对自然和宇宙的基本理解。但是,如果你想从反物质中提取出可用的能量,并实现某些狂热太空旅行者的梦想,那么你还需要更多的反物质量,多过上述量的几十亿倍,并且还得将它们安全地储存下来。反质子减速器是地球上现有最好的反物质工厂。当然,科幻小说中还描绘了一些卓越的反物质工厂,我们将在的最后一章中进行介绍。