反物質係咩？CERN 搬運 92 粒反質子嘅最新突破

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Stephen Hawking 喺三十幾年前嘅《時間簡史》入面講過：如果你喺街上見到一個由反物質組成嘅「你」，千萬唔好同佢握手──因為一握就會互相湮滅，瞬間放出大量伽馬射線光子，等同一場小型核爆。聽落好似科幻片，但反物質其實由 1928 年到今日已經有接近一百年歷史。最近 CERN 仲成功將 92 粒反質子鎖喺一個容器入面，由粒子加速器搬出去，成為人類掌控反物質能力嘅一大里程碑。今集未來學請阿宏同大家拆解：反物質究竟係咩？點解咁難留？同暗物質、暗能量又有咩分別？

由數學方程「估」出嚟嘅反物質

反物質呢個概念，最初唔係實驗發現，而係由純數學方程推導出嚟。1928 年，英國物理學家 Paul 狄拉克（Paul Dirac）提出咗結合狹義相對論同量子力學嘅一條方程──狄拉克方程，用嚟描述高能量、高速度下嘅電子行為。

不過呢條方程出咗一個有趣嘅結果：好似中學數學一元二次方程一樣，會有兩個解。其中一個解對應到我哋日常見到嘅電子，另一個解就好似喺講一粒「帶正電」嘅電子，質量同普通電子一模一樣，但電荷剛剛相反。狄拉克發現之後就開始諗：呢個數學上嘅解，會唔會喺現實世界都真係存在？

四年之後嘅 1932 年，物理學家透過一個叫雲室（cloud chamber）嘅實驗儀器，喺核子衰變入面真係觀察到一粒帶正電嘅電子──佢嘅軌跡同正常電子完全係鏡像反射，質量一樣大，方向相反。呢粒就係「正電子」（positron），第一粒被證實嘅反物質粒子，亦印證咗狄拉克 1928 年嘅理論預測。由純數學運算去預知一種未見過嘅物質，呢個故事至今仍然係物理學最神奇嘅一頁。

點解反物質一見正物質就「湮滅」？

電子有反物質叫正電子，咁質子又有冇？同樣由狄拉克方程出發，理論上應該都會有一個叫「反質子」嘅粒子，帶住負電。等到 1955 年，人類發明咗粒子加速器之後，先至能夠透過高能粒子對撞，喺實驗室產生出反質子。

不過反物質嘅難搞之處就喺呢度：佢一遇到正常物質，就會立即互相湮滅，兩個有質量嘅粒子變成兩粒冇質量嘅光子。所以你想留住佢，就要將佢放喺一個完全真空、又唔可以碰到任何牆壁嘅環境入面。即使空氣分子飄過，都會引發湮滅。

至於宇宙入面點解我哋身邊全部都係正物質、反物質好似消失咗咁？呢個問題到今日仍然係宇宙學嘅未解之謎。狄拉克當年嘅解釋係：宇宙嘅量子狀態被正常物質「霸晒」，要俾大量能量先可以喺呢個場入面「打窿」整出一粒反物質，佢一遇返正常物質填返個窿，就會消失。為咩宇宙誕生嗰陣會偏向一邊？人類仍然唔知答案。

CERN 最新突破：92 粒反質子「搭車」運送

要產生反物質，全世界得返一隻手數得晒嘅機構做得到。位於瑞士同法國交界嘅 CERN 粒子加速器，就係歐洲乃至全世界粒子物理學嘅重鎮。佢哋早喺 1996 年，已經成功將一粒反質子同一粒反電子組合成第一粒「反氫」原子。

但係要將呢啲反物質喺實驗室外運送出去，技術難度更加高。CERN 嘅科學家透過電磁學原理，用電場同磁場將帶電嘅反質子「鎖」喺一個懸浮位置，再加上接近絕對零度嘅超低溫令佢哋郁得慢，就咁一步一步將反物質嘅壽命由最初嘅百萬分之一秒，提升到一秒、十秒，再到今時今日嘅以分鐘計算──基本上半個鐘 OK。

呢次最新嘅突破，係將 92 粒反質子鎖喺一個輕巧嘅儀器入面，沿住 CERN 嘅粒子加速器圓區行咗十公里，整個過程廿幾三十分鐘，最後一粒都冇少。呢件事象徵住人類控制反物質嘅能力大幅提升──由靜止保存，去到可以喺一個會顛簸震動嘅環境入面運送，意味住將來其他國家嘅實驗室都有機會借用 CERN 嘅反物質做研究。

反物質 ≠ 暗物質，但係未來能源嘅潛力股

好多人會問：宇宙入面充滿暗物質同暗能量，會唔會其實佢哋就係反物質？答案係好難。因為反物質嘅特性係好容易同正物質起反應、湮滅產生伽馬射線；如果暗物質真係反物質，我哋應該觀察到大量伽馬射線信號，但實際上冇咁多。相反，暗物質嘅特性就係幾乎唔同任何嘢起作用，本身有質量，但好「沉默」──同反物質性格剛好相反。

至於用反物質做能源呢個夢，背後嘅原理就係愛因斯坦 E=mc² 條方程：每一單位質量轉化嘅能量乘以光速嘅平方，係一個非常之大嘅數字。有人計算過，美國 Artemis II 環月任務要用幾十噸化學燃料，但如果可以用反物質同正物質湮滅產生嘅光子做推進，理論上 8 到 10 克反物質就足以完成一次太空旅程。

當然，呢個目標遠在天邊。要將伽馬射線光子嘅穿透性轉化成可控嘅推進力，技術上仲未有答案，阿宏估可能要兩三個世紀。但短期內更值得期待嘅，係能唔能夠製造出更複雜嘅反物質元素──下一步可能係反氫嘅同位素，例如反氘（anti-deuterium）、反氚（anti-tritium），到時就可以對比正物質世界嘅核衰變、半衰期，研究反物質世界嘅核反應係咪同樣對稱。呢啲問題嘅答案，會直接影響我哋對宇宙起源嘅理解。

由數學方程預測，到實驗室證實，再到今日可以「搭車」運送，反物質呢個聽落極之科幻嘅概念，原來人類已經一步步走近。下一個世紀，我哋或者真係會見到反物質引擎飛上太空。