可以治療癌癥的反物質(zhì)：你肯定不知道

可以治療癌癥的反物質(zhì)：你肯定不知道

1人類創(chuàng)造的反物質(zhì)數(shù)量極少

物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅，能夠釋放數(shù)量驚人的能量，比如，1克反物質(zhì)產(chǎn)生的能量，可以與原子彈爆炸的威力相媲美，因而它是有著巨大潛力的新能源。然而，迄今為止，人類只創(chuàng)造出了極少量的反物質(zhì)。

比如，在美國最大的高能物理研究實(shí)驗(yàn)室——費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，這里擁有目前世界上能量輸出最高的粒子加速器，也就是著名的Tevatron質(zhì)子/反質(zhì)子加速器，它能將質(zhì)子加速到接近光速。迄今為止，這個(gè)加速器創(chuàng)造出的所有反質(zhì)子加起來只有不到15毫微克。

而世界上最大的粒子物理研究中心——?dú)W洲粒子物理研究所創(chuàng)造出的所有反物質(zhì)只有1毫微克。在德國漢堡的德國電子同步加速器，至今大約只有2毫微克的正電子被生產(chǎn)出來……

如果人類歷史上所有生產(chǎn)出來的反物質(zhì)全部湮滅，產(chǎn)生的能量甚至不足以煮開一杯茶水。

究其原因，問題主要是出在反物質(zhì)的生產(chǎn)和存儲(chǔ)的成本，還有生產(chǎn)的效率上。生產(chǎn)1克反物質(zhì)將需要2500萬億千瓦時(shí)的能量和超過1千萬億美元的成本。由此我們不難想象，人造反物質(zhì)到底會(huì)有多么珍稀。

2有種東西叫做反物質(zhì)陷阱

為了研究反物質(zhì)，首先你需要很好地儲(chǔ)存它，防止它湮滅?，F(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了存儲(chǔ)它的方法。

帶電的反物質(zhì)粒子，比如正電子或者反質(zhì)子，它們?nèi)伎梢员灰环N叫做“彭寧陷阱”的裝置存儲(chǔ)起來。

彭寧陷阱猶如一種微型的粒子加速器，在其內(nèi)部，反物質(zhì)粒子沿環(huán)形管道不停地做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)磁場(chǎng)和電場(chǎng)將它們囚禁在真空中，使之免于碰到裝置的“墻壁”而湮滅。

但是，彭寧陷阱無法囚禁中性反物質(zhì)粒子，比如反氫原子，因?yàn)榉礆湓記]有電荷，無法被電場(chǎng)限制起來，因此彭寧陷阱無法發(fā)揮作用。

不過科學(xué)家們找到了另外一種陷阱——“約費(fèi)陷阱”，它可以創(chuàng)造一種沿任意方向磁場(chǎng)都會(huì)增大的空間。粒子會(huì)被困在約費(fèi)陷阱中磁場(chǎng)最弱的那一點(diǎn)，就好像珠子只能在碗的底部滾來滾去一樣。

地球的磁場(chǎng)同樣也可以充當(dāng)一種反物質(zhì)陷阱。科學(xué)家們已經(jīng)在地球周圍的空間探測(cè)到了一種反物質(zhì)——反質(zhì)子粒子構(gòu)成的狹長條帶，它被夾在地球的范艾倫輻射帶兩個(gè)層面之間。范艾倫輻射帶是環(huán)繞地球的高能粒子輻射帶。

當(dāng)高能宇宙射線擊碎了地球上層大氣中的分子時(shí)，會(huì)形成大量的自由粒子，這些自由粒子和擊碎它們的宇宙射線粒子一道，最后都會(huì)被范艾倫輻射帶俘獲，形成像甜甜圈一般的輻射區(qū)。

科學(xué)家們通過衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，在所謂的“南大西洋輻射異常區(qū)”（位于南美洲東側(cè)南大西洋，這里的輻射強(qiáng)度只有正常輻射區(qū)的一半）的上空，衛(wèi)星能夠探測(cè)到濃度很高的反質(zhì)子粒子聚集區(qū)。

這些反質(zhì)子粒子像宇宙射線粒子一樣被困在了地球磁場(chǎng)中，在距離地面一定高度的高空，空氣密度已經(jīng)非常稀薄，那里的反物質(zhì)粒子與正常粒子湮滅的損失會(huì)比較小，從而可以在范艾倫輻射帶中出現(xiàn)一個(gè)反物質(zhì)帶。

反物質(zhì)示粒子

3反物質(zhì)可能會(huì)往上“掉”

反物質(zhì)粒子和物質(zhì)粒子擁有相同的質(zhì)量和截然相反的電荷自旋屬性。按照標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言，重力對(duì)于物質(zhì)和反物質(zhì)的影響應(yīng)該是相同的，然而，實(shí)際情況是否如此還有待觀察。

一些科學(xué)家就提出了不同的觀點(diǎn)：反物質(zhì)可能會(huì)抵制引力，換句話說，它們可能會(huì)往上“落”。

觀察重力對(duì)反物質(zhì)的影響并不像看到一顆蘋果從樹上落下那般容易。這些實(shí)驗(yàn)需要把反物質(zhì)控制在陷阱中，還要通過降溫（溫度降至略高于絕對(duì)零度）來使反物質(zhì)的速度慢下來。

由于重力是最微弱的基本力，在實(shí)驗(yàn)中物理學(xué)家們必須使用中性的反物質(zhì)粒子，以防止更強(qiáng)大的電場(chǎng)力的干擾。

所以，要弄清楚一顆“反物質(zhì)蘋果”會(huì)落下來還是“掉”上去，科學(xué)家們還有很長的一段路要走。

4研究反物質(zhì)需要粒子減速器

你聽說過粒子加速器，但是你可能并不知道還有粒子減速器。

歐洲粒子物理研究所耗資1000多萬美元專門建造了被稱為反質(zhì)子減速器的裝置，它是一個(gè)環(huán)形存儲(chǔ)盒，周長188米。

在諸如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)那樣的環(huán)形粒子加速器中，粒子每旋轉(zhuǎn)一周就會(huì)獲得能量。反質(zhì)子減速器則相反，反質(zhì)子越轉(zhuǎn)越慢，減速器可以利用磁場(chǎng)將高能反質(zhì)子減速成速度約為光速十分之一的反質(zhì)子。

科學(xué)家們希望利用減速器產(chǎn)生的反質(zhì)子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比如用磁場(chǎng)對(duì)反質(zhì)子進(jìn)行約束，或?qū)⒎促|(zhì)子與正電子結(jié)合成為反氫原子。原子是由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成的，如果由帶正電的電子與帶負(fù)電的原子核組成原子，那么就是反原子，由反原子就可組成反物質(zhì)。

科學(xué)家們認(rèn)為，宇宙誕生時(shí)產(chǎn)生了大體相等的物質(zhì)和反物質(zhì)，那么現(xiàn)在這些反物質(zhì)到哪里去了？一種說法是，在宇宙的某些地方存在著由反物質(zhì)組成的星系。還有一種說法是，宇宙誕生時(shí)產(chǎn)生的物質(zhì)比反物質(zhì)多了一點(diǎn)，物質(zhì)與反物質(zhì)相互湮滅后，剩下的物質(zhì)就構(gòu)成了現(xiàn)在的宇宙。

為了解開反物質(zhì)之謎，科學(xué)家們需要在實(shí)驗(yàn)室中制造反物質(zhì)，進(jìn)而才能研究反物質(zhì)。

目前在實(shí)驗(yàn)室中制造正電子、負(fù)質(zhì)子等反基本粒子已經(jīng)不難，而將正電子與負(fù)質(zhì)子組成反原子卻十分困難，因?yàn)閷⑦@兩種粒子結(jié)合在一起并且能證實(shí)它們結(jié)合成反原子的工作十分復(fù)雜，而這種工作，只能依靠反質(zhì)子減速器才能完成。

5中微子可能是它們自身的反物質(zhì)粒子

帶有相反電荷的物質(zhì)粒子和它的反物質(zhì)伙伴常常是很容易區(qū)分的，但是中微子卻有些特別。作為宇宙中大量存在的粒子之一，每秒鐘有幾十億顆中微子以接近光速的速度經(jīng)過每一寸人體。然而，由于這些幾乎沒有質(zhì)量的神秘粒子既不帶電荷、又不怎么與其他物質(zhì)相互作用，因此監(jiān)測(cè)到它們異常困難。

20世紀(jì)30年代，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納提出中微子可能是自己的反物質(zhì)粒子。

如果這個(gè)理論是正確的，那么科學(xué)家可能能夠看到超級(jí)罕見的事件，也就是中微子雙β衰變，它指的是放射性的原子核衰變，釋放出兩個(gè)電子和兩個(gè)中微子，由于中微子可能是自己的反物質(zhì)粒子，它們會(huì)相互碰撞并相互湮滅，科學(xué)家們將只會(huì)觀察到電子。

如果能夠證實(shí)馬約拉納的預(yù)言，這對(duì)于解釋對(duì)稱性破缺是有幫助的?？茖W(xué)家們假設(shè)中微子原有輕、重兩種?，F(xiàn)今我們探測(cè)到中微子都是輕的那一種，而重的那一些在大爆炸之后很快就沒有了。如果能夠解釋重的中微子消失的原因，那也許就能夠解開物質(zhì)存在之謎了。

6反物質(zhì)已經(jīng)有所應(yīng)用

反物質(zhì)雖然難以獲得、難以存儲(chǔ)，但實(shí)際上，反物質(zhì)已經(jīng)在某些領(lǐng)域得到應(yīng)用了。

比如，正電子發(fā)射斷層顯像術(shù)（PET）正是使用正電子產(chǎn)生人體高分辨率的圖像。一些人體中新陳代謝必需的物質(zhì)，比如葡萄糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂肪酸，它們可以標(biāo)記上能夠釋放正電子的放射性同位素（比如香蕉中的鉀-40），注入人體。

在人體內(nèi)的不同組織中，放射性元素釋放的正電子和電子湮滅，可以產(chǎn)生用于構(gòu)造圖像的伽馬射線。一些容易患病的高代謝的惡性腫瘤組織中，葡萄糖代謝旺盛，因此正電子聚集會(huì)較多，這些組織的特點(diǎn)就能夠更詳盡地通過圖像反映出來。

歐洲粒子物理研究所的科學(xué)家們也正在將反物質(zhì)視作治療癌癥的潛在手段，他們已經(jīng)進(jìn)行了多次反質(zhì)子治療癌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。這里擁有世界上唯一一個(gè)反質(zhì)子減速裝置，有了這個(gè)裝置才能產(chǎn)生低能高品質(zhì)的反質(zhì)子束。

由于物質(zhì)和反物質(zhì)粒子碰到一起的時(shí)候，它們就會(huì)湮滅，釋放能量。反質(zhì)子癌細(xì)胞治療實(shí)驗(yàn)就可以利用這一性質(zhì)，使入射的反質(zhì)子和腫瘤細(xì)胞中原子內(nèi)的一部分質(zhì)子發(fā)生湮滅，而湮滅后釋放出來的能量產(chǎn)生的新粒子可以接著破壞鄰近的腫瘤細(xì)胞。

反物質(zhì)示意圖

目前的質(zhì)子束治療通常使用質(zhì)子來摧毀病人體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞?？茖W(xué)家曾經(jīng)比較了治療癌癥的實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們分別用質(zhì)子束和反質(zhì)子束打擊倉鼠細(xì)胞，結(jié)果顯示，殺死同樣多的癌細(xì)胞，反質(zhì)子所需要的量只是質(zhì)子的四分之一，這樣就顯著減少了粒子束經(jīng)過正常細(xì)胞的量。

由于反質(zhì)子在殺死目標(biāo)區(qū)域的癌細(xì)胞的同時(shí)較少影響健康組織，這種粒子束將在治療復(fù)發(fā)癌癥方面具有很高的價(jià)值。

科學(xué)家們希望下一步能檢驗(yàn)人類的臨床效果，不過這預(yù)計(jì)將會(huì)是10年之后的事情了。

7人們已經(jīng)在研究如何用反物質(zhì)發(fā)動(dòng)宇宙飛船

少量的反物質(zhì)就能夠產(chǎn)生相當(dāng)大的能量，這使得反物質(zhì)成為未來最受歡迎的燃料。在理論上，用反物質(zhì)作為燃料來推進(jìn)火箭是可行的，主要的問題在于如何才能收集起足夠量的反物質(zhì)。

目前還沒有技術(shù)能夠量產(chǎn)反物質(zhì)并使之發(fā)揮作用，然而，少數(shù)科學(xué)家已經(jīng)開始進(jìn)行反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真研究了。

比如，美國肯特州立大學(xué)的科學(xué)家們對(duì)反物質(zhì)火箭可以達(dá)到的性能進(jìn)行了計(jì)算。他們用計(jì)算機(jī)軟件模擬粒子在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的行為特點(diǎn)，在對(duì)撞機(jī)內(nèi)部，一束質(zhì)子流和一束反質(zhì)子流迎頭相撞，就會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。如果以此為基礎(chǔ)可以設(shè)計(jì)一種引擎設(shè)備，那么以這種反物質(zhì)作燃料的飛船的飛行速度將是非常驚人的。

科學(xué)家們計(jì)算的結(jié)果顯示，一艘采用正、反物質(zhì)湮滅反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的超級(jí)飛船，其在太空航行的速度可以達(dá)到光速的70%。如果乘坐這樣一艘飛船，從地球出發(fā)前往距離最近的一顆恒星比鄰星(即半人馬座α，距離地球4.2光年)只需要6年時(shí)間。

如果有一天，我們能夠解決反物質(zhì)的供應(yīng)問題，屆時(shí)星際旅行將不再是夢(mèng)。