假如我们需要几公斤反物质——不管是像丹·布朗(Dan Brown)的小说《天使与魔鬼》(Angles and Demo ns)里写的一样用来轰炸梵蒂冈, 还是用来作为燃料进行星际迷航(Star Trek),又或者是用作能源——我们面临的问题不仅是如何生产和储存反物质,还有应该制造哪种反物质。不需要特别的易燃易爆化学品,比如反TNT或反苯;释放能量主要靠湮灭,而最简单的反物质就能做到。我们首先必须制造出反粒子和反原子,接下来想办法将它们储存起来。此时科幻小说已经不行了,自然的现实开始打破我们的美梦。要产生1克反质子,需要大约1亿亿亿个粒子;而如果要产生1克正电子,需要的数目还要大2000倍。这个数目极其巨大,形象地说,自1955年首次发现反质子以来,欧洲核子研究中心的低能反质子环及费米实验室相似的装置中总共产生的反物质的量还不足百万分之一克。如果我们能将所有的这些反物质收集起来,然后与物质发生湮灭,产生的能量只够供一只普通的灯泡点亮几分钟。而相比之下,制造这些反物质所消耗的能量则足以点亮整个纽约时代广场或伦敦皮卡迪利广场。
以现在的生产效率,要生产1克反物质需要1000万年。当然,现有的装置都是设计用来制造特殊实验所需的反物质束流的,并非用来储存大量反物质。但即使我们设计出一台特殊的装置能生产大量反物质,要将生产周期从上千万年缩短到几周也还路漫漫其修远兮。即使你生产出来了,储存也是个大问题。
首先你需要一个巨大的真空容器,其中包含电场和磁场。有个好消息是我们已经掌握了储存的技术,也曾成功的在潘宁陷阱中将反粒子储存了数周之久。然而,当大量带电粒子聚集在一个小体积内时就会出现问题,这限制了容器内储存粒子的数目。带同种电荷的粒子间会互相排斥,这是无法抗拒的自然定律,所以生产的粒子越多,就越难将它们束缚在磁场容器内。现在人类最多能储存100万个反质子,这个数目听起来很大,但实际上只有1018 分之一克。漏洞百出的反粒子容器显然不足以用来储存这个超级破坏王。
要避免以上问题,一种办法是将反质子和正电子混合,形成反氢原子。正电子带正电,反质子带负电,二者相互抵消,因此不会出现电荷过剩的问题。我们的身体中含有数十亿个原子,原子内部的正负电荷平衡,因此我们整体不会感觉到体内的电荷活动。反物质也是如此。但却又有一个很大的问题。电磁容器中的磁场和电场就像绳索和墙壁一样,形成了一个监狱,只能将带电物质像囚犯一般禁锢住。如果这些囚犯相互配对,那么各自的电荷就会抵消,电磁场对它们的禁锢就会神奇地消失掉;如果还想将这些物体束缚在电磁容器中,就需要容器和物体之间存在另一些残余力。反氢原子是电中性的,不受电磁场影响,很快就会在容器内自由飞翔,最终逃出容器,然后遇上物质,早早地就被湮灭摧毁了。
在某些情况下,物体内部的电荷效应也会表现出来。最明显的是磁性,物体内部电荷的运动会产生磁效应;虽然总的正负电荷会相互抵消,但电子的净运动会像长征中的红军队伍一样,每个人都走一小步,但是各自的磁性会叠加起来。反物质也有相似情况。我们的物质世界中铁可以作为磁体,那么反物质世界中的反铁也可以作为磁体。然而,正如容器内部大量的同性带电粒子会对抗容器的电场力,它们的磁效应也会干扰容器内的磁场。通过空间中快速变化的磁场有可能将少量反氢原子束缚住,此时正电子和反质子的不同磁矩会保持原子稳定,但迄今为止科学家仍然未能完成这个工作,即使是很少几个原子也不行。
另一种可能是借助正电子素原子,它包含一个正电子和一个电子。近年来,引起美国军方的高度关注。 这里面临的问题不仅是和反氢一样的原子电中性,还面临着其内部成分会相互摧毁的问题。正电子素原子的寿命不足千分之一秒,如果想用它作为火星飞船的燃料,这个寿命时间就太短了。无论如何,美国空军仍然投入了大量财力进行研究。他们到底想干什么?现在是时候来解密一下关于反物质的种种谣言和实质了。