正確答案:
1996年,歐洲核子研究所(CERN)製造出9顆反氫原子,成為轟動全球的科技大新聞,這使人聯想到,我們的宇宙是否存在反物質世界。
反物質世界聽起來很奇怪,其實不然,在亞原子粒子中,每個粒子皆有其反粒子為伴,者的性質正好相反,如電子帶一負電荷,反電子則帶一正電荷(故又稱正電子),兩者的旋轉方向也相反,兩者間的關係可謂古怪,它們一旦相碰即行消失(稱湮滅),而化成一陣γ射線暴。若宇宙中始終存在反粒子,那麼它們勢必會組成反原子,既而積聚成反星球、反星系,就如粒子所經歷的那個過程。可是在我們居住的宇宙小小角落裡,卻從來沒有人探測到反星球、反星系。直接觀測反星體十分困難,因為原子和反原子所輻射出的皆為光子,這樣,即使你看到一個反星球,可是其外貌跟一般星球並無二致。一個間接的辦法是觀測湮滅γ輻射。若我們進旁(如銀河系內)有反物質存在,由於星球會發生爆炸,其包藏物質被拽入星際空間,成為周圍星球相互交換的物質,這樣,物質和反物質勢必不時發生碰撞,而產生湮滅信號。事實上,天文界一直未觀測到這種信號。若宇宙中不存在反物質世界,這在理論上又很難解釋。據現代宇宙學,在大爆炸創生之初,產生了等量的物質和反物質;另一方面據量子論,真空空間中不時地暴出粒子對(如電子和反電子),在一個瞬間後又隱沒於虛空。所有這些都向我們暗示,宇宙中應有反物質世界的位置,這個問題一直困惑著物理學家。
60年代,前蘇聯著名物理學家薩哈羅夫,對此作了解釋:這緣於物理定律中有微小的不對稱,或稱CP不守恆(也即電荷、宇稱不守恆,這兩者皆為量子特性)。在大爆炸後的最初瞬間,今日所見的各種基本粒子,皆融為一體,稱χ粒子,它極重,約為鋁原子核的1萬億倍。隨著宇宙的冷卻,χ粒子開始衰變,由於上述不守恆,最終變成的粒子和反粒子,形成了10億零1對10億之比。故當它們相互湮滅化成γ射線後,留下的僅是1個的粒子,我們今日的宇宙也就是有它們所構成的,故我們見不到反物質世界。
薩氏的這一理論,也解釋了充滿宇宙的微波背景輻射,它也正好是10億個光子對一個物質粒子。
薩氏的理論為許多科學家所接受,但也有一些科學家不以為然,丁肇中就是一個。他們認為薩氏的理論很難證實,丁說,我們不能排除這種可能性,「例如,在大爆炸火球的某個區域中,物理定律中的這一不對稱可能逆轉,從而有利於創生更多的反物質。」其結果是一個拼盤宇宙,在它的某些空域將填充著反物質星系。
丁承認沒有人知道,這種(物理定律)不對稱是怎樣逆轉的。同樣地,「我們也並不清楚,從實驗中所得知的不對稱量,是否足以說明物質在宇宙中佔絕對地位。」堅信有反物質世界的科學家認為,這個反物質世界當然不會就在近旁,它們至少不可能存在於本星系群之內,甚至在離我們3000萬光年的距離內,不會有它們的蹤跡;還有一些人認為,在距我們1億光年的跨度內,不存在反物質。據丁的看法,反物質可能統治著本星系群外的某些空域,它們是如此遙遠,以致其特徵性湮滅信號十分微弱,難分真偽.丁說:「宇宙包藏著約10億個星系團,要排放任何反星系是不可能的」。
目前在CERN工作的丁博士,是以尋找稀奇物質著稱,1976年,他因發現J/Psi粒子而獲諾貝爾物理獎。這一次他更是雄心勃勃,以尋找反物質世界為己任。他在幾年前,跟一些物理學家籌組了反物質世界探測小組。他的同時艾倫十分佩服丁的勇氣,「丁偉大之處,在於他從一般原則出發去考慮問題:是否有令人信服的論據來說明為什麼沒有反物質?沒有.有足夠靈敏的儀器去尋找過反物質?沒有.那麼你就去尋找吧!」
丁的準則是:「我們所從事的就是探索未知,作為一個實驗工作者,去探測未知事物,責無旁貸。」這位華裔美國科學家,1936年出生於美國密歇根州,不久即返回中國故鄉,一呆就是20年,然後去美國接受高等教育。他深知中國的一句格言:「工欲善其事,必先利其器。」他被同行譽之為搞「大科學」的行家裡手,在他的牽頭下聚集了來自歐、美、中國100科學家,研製了反物質頻譜儀,以供丁的小組進行這場大戰之用。
這一巨舉卻資金不足,需要2000萬美元,美宇航局負責把AMS裝入航天飛機上,作一次試探飛行以及以後把AMS送上空間站等飛行任務,約需1300萬美元;美能源部提供300萬美元,別的需要丁的國際合作者資助。
1994年4月,丁來中國,訪問了中科院電氣工程研究所。丁說:「我發現他們已用新型材料釹、硼、鐵的合金,製造出非常精密的永久磁體....他們能夠生產高質量、高磁場的磁體。我跟他們越交談,就越使我相信,這是一條製造能在太空工作的廉價磁體的好路子。」AMS是一個重2噸、1米高、1米直徑的圓柱形空心磁體,它由釹、硼、鐵合金構成,產生一個0.15T的均勻磁常磁體內鑲著疊成6層的一系列硅探測器,它們將把竄入儀器的帶電粒子牢牢抓獲,不讓它們跑出10微米之外,並記錄它們的電荷量、質量和速度。
丁是一位實驗物理學家,他現在要做的實驗,是對遙遠星體的物質樣本進行檢驗,以辨其雌雄,豈不是開玩笑嗎?他到何處去搞這種樣品?不,實際上,它們不停地向我們送貨上門,這就是宇宙線,那是由原子核和帶電粒子組成的射束,它們來自四面八方。它們大多來自太陽,其次來自我們銀河系中的爆炸星球的殘體,但其中最高能的粒子來自銀河系外的不明天體。所以丁要做的是宇宙射線實驗。探測宇宙線非丁的首創,半個多世紀之前,科學家就開始了對宇宙線的研究。不過地面探測只能抓捕到所謂二次粒子,那是宇宙線跟地球大氣中的原子核發生碰撞後產生的粒子碎片,從它們身上只能揭示出原始宇宙線的能量,卻已看不到它的本來面貌;以後利用氣球進行高空探測,又嫌時間太短,僅幾個小時。丁說,如此短期的實驗,只有在1萬個宇宙線粒子中有1個反原子核的情況下,才能捕捉到反物質的蹤跡。事實上,來自本星系群之外的宇宙線,這個比例小到100億對1。用這樣的實驗來排除反物質的存在,那是根本不可信的。而今丁要做的是太空實驗,就此而言,可說是首創。丁認為,AMS成功的可能性很大,因為太空實驗沒有地面、高空(氣球)探測所固有的缺點。AMS能把原始宇宙線和大氣碰撞之前即行抓獲,從而能見到其廬山真面貌。另一方面它又能常期滯留在空間,作大量的篩選,故科學界對丁小組的探測寄予厚望。
對丁小組來說,他們最大的希望是能發現反碳核,因為碳核或反碳核只有恆星或反恆星才能產生。故能找到反碳核,也就是反物質世界存在的確實信號。
丁若成功的話,也許將成為本世紀最大的科技新聞,著名科學界海森伯格評價說,「若發現反物質,也許將是本世紀中物理學的所有大突破中最大的一次。」同時也將帶來一個大難題,諾貝爾獎得主溫伯格說,「在最初的宇宙中,物質和反物質創生於同一地方,我們必須問我們自己,它們為何不互相湮滅?宇宙學將因反物質的發現而被傾翻,我們將被迫重新考慮一切事物。」
AMS除了探測反物質外,還有其他幾項科研項目,其中頗受人關注的是搜索暗物質,它的搜索目標是超對稱粒子。若能成功,其意義也不亞於反物質。丁小組目前正忙於做探測前的準備工作。按計劃,他們將首先把AMS裝上航天飛機「發現號」上,於1998年5月28日昇空,它將飛行在300千米的上空,作為期100個小時的試探測,並在此基礎上,於2001年2月,把AMS放上阿爾法國際空間站,作為期3年的反物質探測。
丁小組的探測,可謂一測多得!當然,也有可能失敗,我們遙祝他們成功!