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正反物质的完美混合

在大爆炸之后极短的时间里,宇宙中充满了一种很特别的东西。它很热,具有“自毁倾向”。它既包含正物质,也包含反物质。这种东西叫做“电子-正电子等离子体”,是等量的电子与正电子完美混合。但在几秒钟内,它就消失了:电子和正电子在接触后彼此湮灭,它们的质量完全转换成能量。

不过从那以后,宇宙中出现的许多剧烈的天文学事件,都能产生电子-正电子等离子体。现在,科学家们也开始学会在实验室中生产这种等离子体,希望以此来了解那些剧烈的天文学事件背后的科学原理。此外,了解这种等离子体,还能帮助我们彻底掌握可控核聚变技术。

如此看来,电子-正电子等离子体的确很了不起。下面,我们就来了解一下它。

剧烈的天文学事件能产生它

爱因斯坦著名的公式E=mc2告诉我们,质量和能量是等价的,它们可以相互转换,宇宙产生电子-正电子等离子体的能力就来源于此。在大爆炸之后,宇宙充满了以光子形式存在的能量。只要光子的能量比电子和正电子的能量总和还要大,那么光子就有能力转变成电子和正电子对,反之亦然。

大爆炸后产生的电子-正电子等离子体并没有存在太久,它们随着宇宙膨胀后迅速冷却,随后都湮灭成了光子。在过去的十几年里,天文学家越来越相信,许多剧烈的天文学事件也能产生这种等离子体,尽管产生的量比大爆炸本身产生的少了很多。

一个例子就是伽马射线暴,它是来自天空中某一方向的伽玛射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象。然而,除了这些以外,天文学家对伽马射线暴的了解并不是很多,其成因仍是一个谜。一个热门的观点认为,伽马射线暴是大质量恒星变为超新星时产生的。然而,无论真相是什么,电子-正电子等离子体被认为与伽马射线暴的成因有关,不管是这种等离子体在磁场中旋转,还是它与星际介质发生了碰撞,在很多种情况下,它都可以产生大量的伽马射线。

此外,脉冲星和快速射电暴也与电子-正电子等离子体有关。脉冲星是一种能产生脉冲信号的中子星。中子星体积很小,自转很快,而且磁场很强,电磁辐射只能沿着磁轴方向辐射出去。如果磁轴和自转轴不重合,电磁辐射会像灯塔一样周期性地扫过周围空间,在地球上会观测到一闪一闪的脉冲信号,所以称这样的中子星为脉冲星。

而快速射电暴是来自天空中某一方向的仅维持数毫秒的强度极高的无线电波脉冲。观测显示,其爆发的源头应该是有着极强磁场的天体。至于这个天体具体是什么,也是一个谜,目前天文学家提出的假设包括具有超强磁场的中子星、合并中的中子星或黑洞、超强的超新星爆发等。

天文学家推测,在这几种天文学事件中可能都有电子-正电子等离子体产生出来。高强度磁场会把它限制在磁极附近,一些还能沿着磁轴方向喷射到太空中,形成等离子体流,而我们接受到的无线电波脉冲可能就是等离子体流湮灭时产生的。

在实验室中制造它

这些剧烈的天文学事件发生的地点都离我们十分遥远。为了能更好地理解它们,来自世界各地的研究人员开始尝试在实验室中制造电子-正电子等离子体。

研究人员知道,超短暂的激光脉冲可以将一团稀疏的原子中的电子撞击出来,使它们成为一束电子,并能以接近光速的速度向前移动。如果电子束撞击到金属块上,那么电子的能量就会转化成一堆高能的光子。研究人员认为,在这个碰撞中,一些高能的光子还能转换成一束电子-正电子对。产生足够多的电子-正电子对,就可形成电子-正电子等离子体。

2012年,美国密歇根大学的研究人员用激光设备进行了第一次尝试,但只成功了一半:正电子束出现了,但产生的量太少了,没有形成等离子体。研究人员认为,得用上更强大的激光设备。三年后,英国卢瑟福·阿普尔顿实验室借助一种超强的激光设备,产生了相同数量的电子和正电子,从而形成了电子-正电子等离子体。研究人员在实验中还观察到了该等离子体产生的一种细丝状结构,这是该等离子体在与自身发生相互作用时产生的。过不多久,里面的电子和正电子会发生湮灭,变为光子。

英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的研究人员还准备验证一种设想:伽马射线主要是电子-正电子等离子体在与星际介质的碰撞中产生的高能光子,并以一种冲击波的形式向外爆发出去。2017年8月,研究人员让电子-正电子等离子体射向了星际介质的模拟物,似乎检测到了一些冲击波产生的迹象。他们正在与多个实验室合作,进一步检测这一过程。

掌握可控核聚变需要它

研究电子-正电子等离子体,还有一个更实用性的理由。毕竟,电子-正电子等离子体仍是一种等离子体。生活中,霓虹灯、荧光灯、电视屏幕上,都有人造的等离子体。此外,在那些巨大的可控核聚变反应堆中,也有等离子体的身影。

自上世纪50年代以来,全球的科学家就一直在研究可控核聚变,它能为人类带来几乎取之不尽的清洁能源。实现可控核聚变,需要在反应堆中使用由电子和带正电的原子核组成的等离子体。当等离子体足够热时,原子核就会发生聚变,释放出大量的核能。然而,可控核聚变的研究进展十分缓慢。例如,位于英国的欧洲联合环状反应堆,聚变产生的能量只相当于输入能量的70%。位于法国的国际热核聚变实验反应堆计划能在2030年左右,实现输出能量大于输入能量。可见,要实现可控核聚变商业化,还是一件遥远的事情。

由于电子质量和原子核质量之间的差距非常大,这使得描述聚变反应堆中的等离子体物理理论公式变得很臃肿和复杂,而研究人员常常无法用理论准确地预测出等离子体的行为。例如,许多时候,保留小数点后的位数不够多,或者忽略了一些物理量,导致了研究人员所做的理论预测走向失败。这个问题,其实就是可控核聚变的研究进展过于缓慢的原因之一。

至于电子-正电子等离子体,因为电子和正电子的质量是相等的,描述它们的理论相对来说很精简。可以说,它是最简单的一种等离子体。如果研究人员可以在实验中观测电子-正电子等离子体,并于理论相对比,就可以完善当前的等离子体物理学,并最终提高对聚变反应堆中的等离子体的认识。

用磁场困住它

为了能更容易地观测到电子-正电子等离子体,德国马克斯·普朗克研究所下属的等离子体物理研究所一直在试图建立一个能存储它的容器。他们使用了在研究传统等离子体所使用的技术,那就是磁约束。如果你能以正确的方式设计磁场,让电子和正电子远离容器壁,那么它们就可以在容器中存在一定长的时间。

听起来很简单,但是研究人员发现,容器中装入一定量的电子和正电子后,就再也装不进新的粒子了,这是因为磁场会排斥更多的粒子进入容器内。研究人员正尝试一种办法,能让新的电子和正电子进入容器内。在最新的实验中,他们发现,通过在容器内施加一个稳定的电压,新的电子和正电子可以缓慢地加入容器内。

他们的实验仍在继续,希望能很快得到一个完美的电子-正电子等离子体。如果成功了,研究人员希望能回答的一个关键问题是,这种等离子体能存活多久后走向湮灭。当前的理论告诉我们,它应该持续几分钟。然而,如果它比我们的理论预测的更不稳定或更稳定,那么说明我们的当前的等离子体物理学仍存在明显的大问题,理论学家需要重新审视该理论。这样的话,许多与可控聚变相关的理论也需要改写。

小贴士

一般的等离子体指的是气体中的原子在高温或强电磁场下被电离,变成了由带电粒子组成的气体状物质。

等离子灯是等离子体产生的一种发光现象

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