出品：科普中国

　　制作：张轩中

　　监制：光明网科普事业部

　　2016年似乎真的发生了新的科学革命，这一科学革命也许可以与20世纪初的那场诞生相对论与量子力学的科学革命相提并论。

　　标志着新科学革命到来的是LIGO发现引力波的事件，以及接踵而至的人工智能“阿尔法狗”打败围棋九段李世石的新闻。

　　接下来则发生了这个消息：

　　中科院上海光机所在2016年3月10日发布消息，他们制造出一种高质量的正电子源：用超强超短的激光，有节奏地从靶子上轰出了反物质。

　　看到这个消息，很多媒体都进行了报道，大众也觉得”反物质”是一个极端高大上的事物。

　　很多科普文章集中在谈“超强超短的激光”，却没有谈“为什么用激光可以产生正电子？”以及其背后的技术细节。这就好像我们看见一男一女谈恋爱，只是一个劲得说那女子有多漂亮，却忘记说了为什么这个女孩子会喜欢那个男生——因此，目前的大多数科普文章的谈论都是不全面的，本文将给出补充说明。

　　我们可以先来看一下实验的整体原理图：

　　激光功率有多强？

　　如果有一个激光脉冲，它在时间上短到飞秒(就是10的-15次方秒)级别，那么这个时候的激光也称为“飞秒激光”。再说说激光的功率，1000万亿（也就是10的18次方）瓦特叫做1拍瓦（PW），中科院上海光机所在这次实验中用的激光设备，其功率达到了5拍瓦。作为对比，我们应该知道我们家庭用的微波炉的功率是10的3次方瓦特，也就是1000瓦特左右。

　　为什么要用氩气？

　　看上面的实验原理图我们可以发现，拍瓦激光一出来首先是打在氩气上的，这是为什么呢？原因很简单，主要是为了把氩气变成一种等离子气体，而在等离子体中，会产生很多自由电子，这些电子在等离子体的电场中产生“尾迹加速”。

　　“尾迹加速”是一种先进的加速技术，有点类似于科幻小说《三体》中的“曲率加速”的概念。

　　也就是说，氩等离子体中的这些自由电子的能量必须被等离子体电场加速到很大。它们就好象是被加速的汽车，要去撞墙了。后来这些高速电子是撞在金属靶上的。

　　噶马射线的光子能量有多大？

　　在实验中我们看到，一个噶马射线光子在金属靶的核电场中变成一正一负两个电子。根据能量守恒的原理，我们知道，最后的正负电子，每个的静止能量（由爱因斯坦的质能方程E=MC2计算可知）至少要大于0.511MeV。因此，一个噶马射线光子的能量至少是这个0.511MeV的2倍以上，也就是1.022 MeV以上。

　　MeV的意思是说100万个电子伏特,相当于把一个电子用100万伏特的高电压加速得到的能量。以前的非液晶的那种老式电视机里有一个电子枪，用的也上类似的高电压加速电子的原理。

　　等离子体中电子的典型能量有多大 ？

　　前面已经说了，一个噶马射线光子的能量至少在1.022 MeV以上。

　　那么请问，实验中提到的噶马射线是怎么产生的？

　　这个噶马射线就是一开始说的氩气等离子体中的电子打在金属靶的原子核上产生的，（就是前面说的加速汽车撞墙）。原子核受到撞击以后能量会升高，物理上叫做被“激发”，原子核被“激发”以后，会产生噶马射线。因此还是根据能量守恒，可以知道，要产生一个能量在1.022 MeV以上的噶马射线光子，用来轰击金属靶的告诉电子的动能也必须要在1.022 MeV以上，否则“入不敷出”啊。

　　通过电子轰击金属靶才能最后产生出噶马射线，所以，等离子体中电子的典型能量是1.022 MeV。当然也有一些电子轰击上去，因为瞄准得不好，没有“激发”金属靶的原子核，那么它们会象雨水掉在石板上溅起来。

　　如何屏蔽实验过程中的多余的噶马射线？

　　从上面的讨论中我们可以看到，上海光机所的科学家通过研究与实验，用激光轰击“氩气+重原子核纳米薄层”的办法制造正电子是成功的。但是，从技术上来说，最后的实验产物中不但有正负电子，还有大量多余的噶马射线。大量多余的伽马射线会在最后的正电子谱仪中形成噪声，不利于监测正电子，因此需要精心设计的正电子谱仪屏蔽伽马噪声。这是本次实验的关键点，也可能是技术秘密，因此目前还无法分析出他们到底用了什么手段来处理这个问题。

　　总结

　　此次上海光机所的反物质的获得经历了一个相对复杂的过程和优化：首先将飞秒拍瓦激光装置与高压氩气体靶进行相互作用，产生大量高能电子；高能电子再和高原子序数材料靶（如铜、金）相互作用，产生高强度伽马射线；伽马射线再和高原子序数原子核作用产生正负电子对。“正电子谱仪”是获得反物质的“功臣”，需要降低噶马噪音。经过特殊设计的正电子谱仪，成功解决了伽马射线带来的噪声问题，利用正负电子在磁场中的不同偏转特性，最终成功观测到了正电子。

　　但是，我们必须清醒得看到，这一个成果仅仅是一个工程上的成功，而不是原理科学上的突破，而且因为可以用放射性源（就是不用激光）来产生正电子，因此，此实验并没有特别明显的优势，媒体大众还是应该保持相对冷静的态度。

　　作者简介：

　　张轩中，原名张华，著名科普作家，2007年研究生毕业于北京师范大学物理系，主要从事广义相对论和量子宇宙学研究。

　　“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

　　本文由科普中国科技名家风采录出品，转载请注明出处。