原文摘录
遭遇小行星带
分手前,官员递给我们一串钥匙,醉醺醺地说:“这是你们在亚洲分到的房子,回家吧,哦,家多好哇!”
“有什么好的?”我漠然地说,“亚洲的地下城充满危险,这你们在西半球当然体会不到。”
“我们马上也有你们体会不到的危险了,地球又要穿过小行星带,这次是西半球对着运行方向。”
“上几个变轨周期也经过小行星带,不是没什么大事吗?”
“那只是擦着小行星带的边缘走,太空舰队当然能应付,他们可以用激光和核弹把地球航线上的那些小石块都清除掉。但这次……你们没看新闻?这次地球要从小行星带正中穿过去!舰队只能对付那些大石块,唉……”
在回亚洲的飞机上,加代子问我:“那些石块很大吗?”
我父亲现在就在太空舰队干那件工作,所以尽管政府为了避免惊慌照例封锁消息,我还是知道一些情况。我告诉加代子,那些石块大得像一座大山,五千万吨级的热核炸弹只能在上面打出一个小坑。“他们就要使用人类手中威力最大的武器了!”我神秘地告诉加代子。
“你是说反物质炸弹?”
“还能是什么?”
“太空舰队的巡航范围是多远?”
“现在他们力量有限,我爸说只有一百五十万公里左右。”
“啊,那我们能看到了!”
“最好别看。”
加代子还是看了,而且是没戴护目镜看的。反物质炸弹的第一次闪光是在我们起飞不久后从太空传来的,那时加代子正在欣赏飞机舷窗外空中的星星,这使她的双眼失明了一个多小时,以后的一个多月眼睛都红肿流泪。那真是让人心惊肉跳的时刻,反物质炸弹不断地击中小行星,强光此起彼伏地在漆黑的太空中闪现,仿佛宇宙中有一群巨人围着地球用闪光灯疯狂拍照似的。
半小时后,我们看到了火流星,它们拖着长长的火尾划破长空,给人一种恐怖的美感。火流星越来越多,每一颗在空中划过的距离越来越长。突然,机身在一声巨响中震颤了一下,紧接着又是连续的巨响和震颤。加代子惊叫着扑到我怀中,她显然以为飞机被流星击中了,这时舱里响起了机长的声音。
1.太空激战的附带伤害
后太阳时代,一切为流浪地球计划服务,社会生育制度、分配制度也发生了巨大的改变。在可能是有史以来最严苛的计划生育制度下,幸运的新婚夫妇领到了分配的新房,乘着飞机从纽约飞往远在亚洲的新家。飞行的途中,地球正好变轨到了太阳系小行星带的区域。在地球上空的黑夜里,太空舰队为了迎击小行星群祭出了终极武器——反物质炸弹。没有戴防护装备的女主角被反物质炸弹与岩石碰撞产生的强光灼伤了眼睛。
2.什么是反物质?
要知道什么是反物质,首先需要知道什么是物质。说起来,物质应该是我们最熟悉的东西了,我们所能接触或者想象的一切物体都是由物质构成的。但是“物质是什么”,却一直是一个最简单又最复杂的问题,哲学家们激烈争论了数千年也没有达成统一意见。唯物主义哲学上的物质,是“在人类的意识之外,独立存在又能为人的意识所反映的客观实在”。而自然科学要回答物质是什么,不仅仅需要思考和辩论,更需要计算与实证——首先暴力拆解,把物质一层一层剥开,亲眼看看里面到底是什么。随着科学观测手段和破坏能力的提升,物质和物质的结构在人类的眼中变得越来越清晰和有趣起来。
宇宙中只有原子和空间,剩下的都是思想。 ——德谟克利特
第一个提出原子是构成物质的基本元素的人,是公元前400多年前的古希腊学者德谟克利特。他说,“宇宙中只有原子和空间,剩下的都是思想”,他还认为原子就是物质最小的组成部分,所以原子是不可分割的。之后的两千多年,人类在研究实在的物质方面并没有太多的进展。直到17世纪,英国科学家罗伯特·胡克在用显微镜看到了植物的细胞之后,研究者们又用了数百年的时间,经过大量的观测、实验才找到了和德谟克利特所说的相对应的最小的物质结构——原子。在普通的一滴水珠中,包含了大约5亿亿个原子,可见原子是多么小。
当然,对物质的追问并不会止步于此。20世纪初,物理学家们开始对原子进行拷打。一开始只是电击,一个叫汤姆逊的科学家让一束电流穿过玻璃管里密封的气体,从原子中激发出了一种从来没有见过的、带有负电的粒子——电子。因为整个气体是不带电的,所以很明显,原子中应该还有其他带正电的物质。基于这个推测,汤姆逊提出了原子结构的“蓝莓松糕模型”,他认为,电子就像蓝莓一样,镶嵌在一团带正电的松糕上。
不久之后,来了一个更狠的人——卢瑟福,他用一种放射性的射线——α粒子去攻击金箔。α粒子其实就是氦元素的原子核,包含两个质子和两个中子,铀238衰变为钍234就会释放出α粒子。这种粒子本来应该很容易穿过金箔,就像用子弹去打一张薄纸一样。但是和想象相反,一部分粒子被直直地反弹了回来。汤姆逊的那个松松软软的“蓝莓松糕模型”无法解释这种现象,于是卢瑟福猜测:金原子中应该有一种质量比较大的硬核,才能抵挡住α粒子的攻击。1918年,卢瑟福进一步确认了独立于电子的原子核确实存在,并且发现原子核并不是一个整体,而是由一个个带正电的质子聚在一起而组成的。不同数量的质子和电子组合在一起,就构成了不同的化学元素。被太阳和人类无情碾压一次又一次的氢原子宝宝,就是所有元素中最弱小的那一个。氢原子家族中最小的伙伴,只有一个质子和一个电子。
榨干了氢原子之后,科学家们继续攻击其他物质。经过一系列的“花式砸蛋”,到了20世纪30年代,他们终于用一种新发现的射线,从石蜡的原子核里砸出了新的东西——一种不带电的,和质子一样大的粒子。原子中已经有了带正电的质子和带负电的电子,这位既不带正电也不带负电的同学就叫中子吧。
这个时候新的问题出现了。既然有带正电的质子和带负电的电子,为什么不能有带负电的质子和带正电的电子呢?理论上来说可以有,实际上也真的有。第一个发现这个秘密的,是数学。20世纪20年代,英国物理学家狄拉克建立了电子在高速运动下的方程式——狄拉克方程。根据这个方程式得出的结果,电子的能量可以为正,也可以为负。就像x2=4这个方程,它的解可以是2,也可以是-2一样。
可是,能量最多只能为零,负能量怎么可能存在呢?这是完全不符合物理规律的。为了让负能量变得合理,狄拉克创造性地提出了一种假设:如果电子所带的电荷是正的,那么方程式算出的能量就是负能量。就像在自然界中并不存在负数(比如你永远不可能数出负十个手指头来),但数学上可以有负数这种表达一样。有了带正电的电子,能量就可以有负号。不仅仅是电子,其他所有粒子理论上都可能存在所带电荷与之相反的粒子,而这些镜像的粒子就是反物质。
不久之后,物理学家果然在射入地球大气层的宇宙射线中,发现了带有正电的电子,又在实验室创造出来的高能环境中,成功抓到了反质子和反中子。于是,人类终于确认了反物质不仅仅是理论上的假设,而且是实实在在存在于我们这个宇宙中的东西。
质子和电子带电,所以有反物质,中子不带电,怎么也会有反中子呢?其实,不仅仅是带的电荷相反,反物质和正物质在其他微观层面上表现出来的很多特性都是相反的。比如中子与反中子虽然都不带电,但是它们的自旋方向是相反的。
对科学的寻找和追问永远不会停止,后来,物理学家们又发现,质子、中子也不是最小的粒子,它们都是由更小的夸克组成的。对物质的认识越深入,就越觉得它们是如此奇妙和难以理解。就连伟大的科学家爱因斯坦都感叹:“物质、时间和空间是人们认知的错觉。”
3.为什么反物质炸弹比核弹还厉害?
太空舰队在需要正面对抗迎面而来的小行星带时,反物质炸弹是他们祭出的终极武器。为什么反物质炸弹的威力会远远高于热核炸弹呢?
反物质最可怕的性质是,当它们和正物质在一起时,哪怕仅仅只是轻轻相碰,也会在一瞬间双双灰飞烟灭,并爆发出巨大的能量,物理学上把这个过程叫作“湮灭”。核弹,不管是核裂变还是核聚变,释放的能量仅仅是原子核在分裂或者聚合在一起的时候,丢失的一丁点质量转换而来的。而正反物质碰撞,两种物质会完全消失,质量全部转换成能量,以光和热等形式爆发出来。所以,反物质几乎不需要任何处理,它本身就是一枚宇宙级别的超级武器,能量等级是核弹等人类制造出来的其他炸弹完全不能比拟的。
在杰克·威廉森的科幻小说《反物质飞船》(又名《CT飞船》)中,谁掌握了控制反物质的方法,谁就可以在宇宙中掌控一切,为所欲为。但是,控制反物质会碰到与控制核聚变反应一样的问题——能够毁灭一切的物质,用什么东西来装才安全呢?小说中,这种装置叫作“CT底盘”,为了得到它,包括传统反派星际公司在内的各路人马展开了激烈的角逐。在追踪线索的过程中,开挂的主角遇到了鬼魂一样的强大对手,最后才发现,“鬼魂”竟然是来自反物质宇宙的自己。
所以,如果需要强行鸡汤一下的话——能对你产生最大影响的,其实是反方向的你自己?
4.反物质宇宙在哪儿?
根据大爆炸理论,宇宙产生于138亿多年前的密度无限大、空间无限小的“奇点”。奇点爆炸,把它拥有的能量转化为了物质和反物质。
按照对称性原理,爆炸产生的正物质和反物质应该有相同的质量。这很容易理解,一公斤的正物质,只会湮灭掉同样重量的反物质并释放出能量,反过来应该也一样。所以,随着宇宙不停膨胀,大爆炸产生的正反物质不断相遇,然后湮灭,我们现在的宇宙中,剩余的正物质和反物质应该是一样多的。但是实际上,我们在宇宙中观测到的物质几乎都是正物质,也几乎没有看到过正反物质的湮灭,这是为什么呢?人类被这个问题苦苦困扰着,直到物理学家们陆续发现了弱相互作用下的CP不守恒,才慢慢解开了一部分的谜题。
什么是“CP不守恒”呢?“C”指的是电荷,“P”指的是宇称。根据物理学原理,一个粒子与它的反粒子应该是互相对称的,就像人和镜子里面的镜像一样,你的左手就是镜子里面那个你的右手,这种对称就叫作“宇称”。而粒子和反粒子的运动规律和行为模式也应该是一样的:你往右走,镜子里的你就会以同样的姿势往左走同样的距离;电荷也是同样的道理,把一个粒子所带的电荷从正的变成负的,或者负的变成正的,它的运动规律也应该保持不变,这就是“守恒”。
“守恒”似乎是一件天经地义的事情,但是,科学家们在中微子振**实验中发现,不仅仅是互为镜像的粒子,同一种粒子在同样条件下表现出来的行为并不都是完全一样的,它们之间存在着一些微小的差别。正是由于这种微弱但又广泛存在的不对称,才让正物质和反物质在大爆炸之后没有全部湮灭掉,留下足够多的正物质,来构成我们现在这个宇宙。