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《量子三部曲》之《狄拉克之旋》10,囚禁 精选

已有 8712 次阅读 2014-6-10 02:46 |个人分类:狄拉克之旋|系统分类:科普集锦

《狄拉克之旋》

第三章,反物质

 

10 囚禁

 

“激光功率?”

30毫瓦!”

“有荧光吗?”

“没有!”

“磁场梯度?”

20高斯每厘米!”

“激光功率还能增加吗?”

“不能!除非不用光纤。”

“继续增加磁场梯度!”

小林志雄亲自来到实验室,指挥着团队。由于设备间距离很远,需要大声询问和应答。狄莫一边回答着小林的提问,一边调整电源电流,朴正勇在一旁的电脑上记录狄莫提到的参数。

Hansen小组的成员们已经启动反质子和正电子束,以及Ioffe-Prichard阱,俘获了10的五次方个基态的反氢原子。他们在一旁维护着阱内的原子数,等待着小林志雄小组的MOT结果。

……

“有东西!”大伙似乎看到了微弱的荧光信号。

“调整失谐!”小林志雄指挥着。

狄莫缓慢增加了激光频率,即失谐。荧光信号逐渐变得小而亮,清晰可见。

“呜呼!!!”

整个大组传来一阵欢呼。这是人类历史上第一个反物质磁光阱(MOT),一个对于物质原子来说用了几十年的普通技术,用在反物质上却是头一次,难度也是天壤之别。

大伙互相击掌相庆。

“等一下,我们需要确保不是真空里残留的氢原子的MOT!”在激动人心的时刻,整个项目的大当家Hansen显得格外冷静。二当家小林志雄随后提出我们可以把反质子或者正电子束关掉,保留其它一切参数不变,看看结果。

组里很多人第一时间也想到了同样的方法。在没有反氢原子的情况下,如果还有MOT信号,那只能使氢原子了,虽然真空腔内氢原子的气压应该远低于形成MOT所需要的值。

Hansen那边切断了反质子或者正电子束。由于是反物质粒子,不是简单用真空内隔板挡住就行,需要调整前级加速器。狄莫和朴正勇这边维持着激光的功率和失谐不变,Hansen组另外几个人维持着所有磁场不变。大约过了一个小时,确认没有反质子注入,然后重启MOT

CCD上空无一物,人群中又传出一阵欢呼。

“等等,狄莫你再试试改变失谐。”Hansen想完全排除氢原子的可能性。

狄莫逐渐扫了100MHz的谱宽,没有任何信号,这就意味着之前的MOT是反氢原子确认无疑!

整个团队的几十位人员都长舒一口气。这是个值得纪念的日子,狄莫来此已经足有一年,而整个项目早已运行了好几年。多年的努力终于收到回报,人类可以用激光冷却反物质原子了!

为了这一天,整个团队不分昼夜地加班,甚至连刚刚过去的圣诞和新年假期很多人都在坚守。在这个气候怪异的冬天,整个团队感受到了心灵上的振奋。

Hansen和小林会因为这个实验变得出名。如果后面进行的顺利,能够用MOT中的反氢原子做出更多物理发现,那么Hansen就有了获得诺贝尔奖的资本,小林也许也有机会,谁知道呢。

这就是实验物理学,功劳都是给教练的。球员嘛,好好踢的目的也是最终成为教练。博士生相当于年轻球员,博士后相当于老球员,领队相当于assistant professor,助理教练相当于associate professor,主教练相当于正式的终身professor

……

终于可以好好休息几天了,准备下一个大实验。Hansen的计划是观察MOT中反氢原子的自由下落——由此确定反物质同样遵循着万有引力定律,虽然不遵循的可能性非常非常小。这将是一个反物质领域里程碑的实验,之前的反氢原子都是由于温度太高而无法看到微弱的重力效应,只有冷原子才可能。整个团队期待创造新的历史。

……

……

MOT温度太高,载入四极磁阱的效率太低。”

“真愁人,原子数本身就少,如果强制蒸发的话,剩不下什么了。”

“要不直接试试直接用光偶极阱?”

“应该行不通……”

自实现反氢原子磁光阱(MOT)以来,整个反物质组成了物理学界注目的焦点。一些科技新闻甚至夸张地用“物理学家成功控制反物质”作为标题,吸引了全世界的眼球。当然,此时更吸引眼球的事还没有发生。

然而,下一步的实验过于困难。反氢原子跟氢原子一样,质量是最轻的原子。而MOT用到的激光冷却方案有一个极限温度,这个温度跟原子的激发态线宽成严格正比。氢原子的第一激发态由于线宽过于宽,导致这个极限温度非常大。温度越高,原子团的扩散速度越快,同时反氢原子团的初始密度也过低。这两个因素使得反氢原子在MOT撤掉后,来不及在重力方向上做任何移动就瞬间散开了。

毫无疑问,狄莫他们需要更冷,密度更高的原子团。至少先把密度压缩上去,提高磁场梯度是唯一可行的方法。由于现有的MOT的线圈提供不了那么大的磁场梯度,众人将希望寄托在了初始的Ioffe-Prichard阱上。这是个大家伙,可以多加几对反亥姆霍兹线圈,在MOT处提供高梯度的磁场。我们有很多备用的线圈。这个任务显然不归狄莫,甚至也不归小林志雄,而直接归Hansen领导。

……

就这样又过了快三个月,在复活节前夕,传来了一个激动人心的好消息。Hansen直接领导的这个小组成功地将狄莫这边MOT里绝大部分反氢原子装载到了新的高梯度磁阱中。原子团已经被压缩到对应线圈所能承受的极限电流的最小尺寸。从磁阱释放之后,短短的2毫秒,在原子团就快要扩散到消失殆尽的时候,在吸收图像上清楚地看到了原子团的中心在重力方向上移动了80微米。重复多次测量,依然是这个结果。

整个团队兴奋异常,他们用人类历史上首次的直接证据证实了反物质和物质遵循着同样的万有引力定律!

“伙计们!文章很快就被nature接收了,干杯!”Hansen特意组织了一场庆功会,庆祝这个伟大的成果。这是整个反物质项目首要目标,已经实现。

Boss,如果我们发现的是反物质沿着地球重力相反方向移动,向上飞,那才是惊人的结果,是能改变物理学的发现。”狄莫和Hansen调侃起来。在平时的工作场合他可没这个胆量。

大伙爆发出笑声,很多人同意这个说法。目前的结果只能说都在意料之中,并不是物理学意料之外的发现。

“如果是那样,估计很多人就疯了,哈哈”,Hansen再在开怀大笑时也依然保持头脑清醒,“那样会引起很多悖论,比如违反CPT定理。”

狄莫一生都会清楚的记得Hansen那一刻提到的CPT定理。这是他多年之前在量子场论课上学过的一个非常基本的定理,但是抛在脑后长期不用以致被抛在脑后。

C代表荷(charge),P代表宇称(parity),T代表时间(time)。物质和反物质之间的变换就是C变换。我们这个宇宙两者不对等,物质粒子多于反物质粒子,因此这个变换不守恒。同时因为弱相互作用对自旋的倾向性,宇称变换也不守恒。实验上也观察到了弱相互作用会破坏CP二者联合反演的守恒。但是量子场论的基本定律要求CPT三者的联合变换必须守恒,这就是CPT定理。简单地说就是一个左旋的物质粒子沿着时间方向运动,完全等同于一个右旋的反物质粒子逆时间方向运动。

电磁相互作用和强相互作用都同时遵守CPT单独的变换守恒,只有弱相互作用只遵守CPT联合变换守恒。而且弱相互作用对自旋的分量有选择。Hansen这次突然提到CPT定理,使狄莫陷入了新一轮的关于自旋的思考。

……

整个复活节假期,狄莫都在想这个问题,在他看来CPT定理不但代表着荷与时间和空间的直接联系,也代表着自旋与时间和空间的直接联系。

又因为超对称变换同时即是自旋的变换,也是时空的变换,狄莫更加深了这一信念:粒子的自旋一定源于时间和空间的某种基本属性。

狄莫带着他的思考回到了实验室继续工作。整个团队准备重启反物质装置,他们没有意识到一个巨大的危险正悄悄地到来……

……

……

“滴!——嘟!——”

刺耳的警报声突然想起,实验室几个人都被吓了一跳。

“着火了?”

“先关掉所有电源!”小林志雄当机立断,“朴正勇,狄莫,你们俩跟我出去看一下出了什么事。”

因为他们三个当时正坐在一起讨论,小林志雄随手带着他俩走了出去。

三人在走廊走可以回,突然连续听到几个响声。

“什么声音?是什么东西爆炸了吗?”朴正勇不解的问。

“我听着像枪声。”狄莫突然有一种不祥的预感。

“出大事了!快回去把液氦瓶都关掉”,小林志雄边汉边带着二人跑回实验室。令他们惊奇的是,实验室的另一端,不速之客已经闯进。”

hands upDon’t move”远处几个蒙着面的武装人员操着蹩脚的英文喊向三人,枪口也同时指向了三人。

狄莫心想完了,中大奖了。所有人都被惊吓的一言不发。

实验室其它几位同事原来早已被控制,蹲坐在另一个角落的几个液氦瓶那里。面部都是被吓呆的表情。

三人面面相觑,举起双手,一动不敢动。在几名武装人员的强迫下,他们走到了实验室其它人蹲坐的角落,加入人群。

没错,恐怖分子劫持了CERN,他们成了人质!

大头头Hansen在国外开会,躲过一劫。但是他四十多人的团队,有一大半人被困在了这里。

实验室外零星地响起枪声,想必其它几个实验室也遇到了相同的灾难。恐怖分子似乎训练有素。主实验室有几百平方米的面积,天花板有两层楼高。只有三个恐怖分子持枪,站在二层的铁架走廊上,各守着一个角落。而所有的人质,都蜷缩在第四个角落,毫无逃跑的可能。整个设备都暴漏在枪口之下。如果一颗子弹打穿了他们身边的某个液氦瓶,他们全都要一命呜呼。

不久,外面传来了两声爆炸声,狄莫分不清是炸药还是手雷,但是觉得前者更靠谱一些。

“咱们这里面有没有会阿拉伯语的?”。大伙在小声嘀咕。看来没有,不过有几位同事用法语向恐怖分子呼喊,说要上厕所。恐怖分子听懂了,然后告诉他们在旁边洗手池上就地解决,不允许走出这个大实验室。

没有人知道外面发生了什么,是整个CERN都被占领?还是仅仅他们做反物质实验的这个区域?现在他们被完全囚禁在封闭的空间里了。首先生个实验室都在地下,没有任何手机。而且恐怖分子不会让他们任何人去使用电脑,墙上的WIFI路由器也已经被一枪轰了。

……

时间久这样过去了几个小时,已经到傍晚时分,很多人饿的开始抱怨。不久,另一个恐怖分子从二层的贴架走了进来,递给里面的一个恐怖分子一包东西。打开一看,一些小食品。显然恐怖分子把外面的自动售货机给敲开了。

恐怖分子把其中的几包扔入人群,大伙打开,分发到每个人手里。人质里面不是博士就是在读博士生,全是男性,没有任何慌乱。

时间越来越晚,大伙只能席地而眠。没有一个人会想到一生会遭如此劫难。好端端的科学实验室为什么成了恐怖分子的目标?而且像是有规模的大型行动。他们从哪儿来?目的是什么?

大伙也小声地议论很久。能确定的几点是:

1、恐怖分子是中东人,说阿拉伯语。

2、他们能听懂法语,从法国过来的可能性比较大。

3、他们选择了复活节后的第一天作为目标。这是工作日里安保力量最空虚的时候,因为很多人多请了两天假,好能跟后面的周末连上。

4、复活节期间游客较多,因此大量阿拉伯人开车到附近也不会引起太大警觉,枪支也更利于运输。

5、从衣装上看,更像一群乌合之众。但是计划缜密,领头的绝非善类。

6、他们的目的也许跟反物质有关。

……

时间慢慢到了夜里,刺眼的灯光也抵挡不住倦意。大伙只能席地而眠。恐怖分子也有人进来换班。

“你们猜他们有多少人?”朴正勇问狄莫和小林志雄。

“我估计20个左右”狄莫猜。

“我估计更多。由于实验室之间是通的,他们需要占领整个CERN。”小林志雄非常自信地说。

朴正勇接着问:“我们有没有机会逃出去?比如从咱们做激光的那个小屋穿过去,有个上楼的暗梯,恐怖分子们不一定能发现。”

“别冒险。他们显然不想杀咱们。”小林志雄说,“这事应该全世界都知道了, BBCCNN等媒体应该在24小时不间断报道,我估计现在应该正在谈条件呢。”

“安保太差了,竟然让他们这么容易进来!”朴正勇充满愤怒。

狄莫安慰他:“冷静,估计也不会有多少人想到CERN会成为恐怖分子袭击目标,而且是这么大规模的武装袭击。你看他们的枪,统一的AKM。”

“这枪在法国的黑市上能买到很多,是黑帮的标配。”在一旁的法国同时忍不住提请。

“噢?那就说得通了,他们很可能是从黑帮招募来的武装。”

“也很可能是类似基地组织,直接从黑帮购买的武器。”

“他们到底要干什么?”

“不会是让我们帮他们做反物质炸弹吧?那他们可真要失望了,嘿嘿。”

意大利同事的一句话,把所有人都逗笑了,但是大家也不敢太大声,只是偷摸地笑。

外行门都把反物质传的神乎其神,就像当年丹布朗的第一部小说,后来还拍成电影的《天使与魔鬼》一样,幻想出反物质炸弹,还能带着满世界跑,太扯了。狄莫想到这和情节就会发笑。

现实中,整个大组奋斗了这么多年,这么庞大的设备,只能囚禁极其少量的反氢原子。假设这些囚禁的反氢原子全部和物质湮灭,即所有静质量都转化成能量,那么释放的能量还不足一个焦耳。一千克TNT炸药释放的能量可是好几百万焦耳。所以拿反物质做炸弹,纯属天方夜谭。

“天方夜谭?这不就是《一千零一夜》嘛。”狄莫突然想到在这些阿拉伯人眼中,说不定都把阿拉丁神灯或者阿里巴巴芝麻开门等当做真事,那把反物质当成毁灭世界的力量也就不足为奇了。

莫非他们真的是冲着反物质来的?这下可麻烦了。我们怎么解释他们很懂都听不懂,会逼着我们造炸弹,造不出来就一个接一个杀。问题是全杀光也造不出来。MD,我怎么这么倒霉,难道年纪轻轻就要在这里就义?客死他国?

狄莫躺在地上,面对着天花板上日光灯刺眼的灯光,筹划着办法。这个时刻,他真的理解为什么会有人信教。如果没有信仰,此时真的是无任何奇迹可期待,只能接受命运,什么都做不了。

如果我一开始就与世无争,随便回老家找个教书的工作,娶妻生子,陪爹妈安度晚年,那该有多好?如今生死未卜,爹妈看了新闻会担心到什么程度?”狄莫越想越难过,眼睛开始模糊。昔日的那股豪情在真正的生死面前显得多么可笑。

……

“我们千辛万苦地囚禁了反物质,却不想被一群恐怖分子武装囚禁在了实验室。反物质的命运终究难逃被湮灭,那我们呢?”——狄莫。




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