人類首次運輸反物質，我們離弄清宇宙為什么全是物質又近了一步

2026 年 3 月 24 日，日內(nèi)瓦郊外的歐洲核子研究中心（CERN）園區(qū)內(nèi)，一輛白色廂式卡車緩緩駛出一棟不起眼的實驗大廳。車身側面印著一行字：“Antimatter in motion”，反物質，在路上。

卡車最高時速 42 公里，走了大約 8 公里，繞園區(qū)轉了一圈，半小時后回到起點。沿途不少 CERN 員工舉著手機拍照。卡車停穩(wěn)后，研究團隊確認貨物完好無損，隨即開了香檳。

圖丨那臺運輸反物質的卡車（來源：CERN）

這批“貨物”是 92 個反質子，裝在一個重約一噸的低溫磁阱里。外表看上去就是一個普普通通的大號金屬柜子。但它完成了一件人類從未做過的事：把反物質從實驗室里搬出來，裝上車，在公共道路上運輸，再搬回去，全程沒有丟失一個粒子。

“這是人類從未做過的事情，這是歷史性的，”BASE 實驗發(fā)言人、海因里希·海涅大學（HHU）物理學家 Stefan Ulmer 說。

圖丨 Stefan Ulmer（來源：WikiPedia）

說它歷史性的，是因為反物質大概是人類已知最難搬運的東西。問題不在包裝，不在道路顛簸，而是這種物質本身的根本特性決定了它不能碰到任何東西，包括空氣分子、容器內(nèi)壁，乃至一粒塵埃。

反物質是物質的鏡像。每一種基本粒子都有一個對應的反粒子，質量相同，電荷相反，磁矩相反。反質子是質子的鏡像，正電子是電子的鏡像。當一個粒子遇到它對應的反粒子時，兩者會瞬間湮滅，全部質量轉化為能量。這個過程遵循愛因斯坦的質能方程 E=mc2，效率是 100%，沒有任何化學反應或核反應能與之相比。

這意味著，你不能把反物質放在任何普通容器里。玻璃瓶不行，金屬罐不行，任何由普通物質構成的東西都不行。反物質粒子一旦碰到容器壁上的原子，雙方立刻同歸于盡。

圖丨物質和反物質（來源：Big Think）

所以儲存反物質的唯一辦法，是讓它懸浮在真空中，完全不接觸任何物質表面，用電場和磁場把它“托”在半空。CERN 的 BASE 實驗此前創(chuàng)下過將反質子在這樣的阱中連續(xù)保存超過 600 天的紀錄，這已經(jīng)是實驗物理中真空和磁場控制技術的極限了，BASE 實驗室內(nèi)的真空度達到 5×10?1? 毫巴，是地球上有記錄以來最好的真空環(huán)境。

把反物質“關”住已經(jīng)極難，把它帶著走則是另一個量級的挑戰(zhàn)。固定在實驗室里的磁阱可以接入穩(wěn)定的電源、冷卻系統(tǒng)和真空泵；一旦上了卡車，所有這些都必須自帶，而且要在顛簸、振動、溫度波動的條件下持續(xù)運行。超導磁體需要維持在 8.2 開爾文（約零下 265 攝氏度）以下才能工作，液氦冷卻系統(tǒng)不能斷，真空不能漏，供電不能停。任何一個環(huán)節(jié)出問題，反質子就會碰到普通物質，瞬間消失。

CERN 也是目前全球唯一能夠生產(chǎn)、存儲和研究低能反質子的地方。它的“反物質工廠”利用反質子減速器（Antiproton Decelerator，AD）和超低能反質子環(huán)（Extra Low Energy Antiproton ring，ELENA）兩臺設備，把高速產(chǎn)生的反質子逐步減速到可以被捕獲的能量水平。整個過程中絕大多數(shù)粒子會丟失，產(chǎn)量極低。

圖丨CERN 的反物質工廠（來源：CERN）

要知道，CERN 全力運轉一年，產(chǎn)出的全部反質子加在一起，湮滅釋放的能量大約相當于 500 焦耳，夠讓一個 100 瓦燈泡亮 5 秒鐘。反物質之所以被稱為“地球上最昂貴的物質”，原因就在這里。

NASA 曾在 1999 年估算反氫的生產(chǎn)成本約為每克 62.5 萬億美元。不管這個數(shù)字的精確度如何，數(shù)量級是對的：以人類目前的技術，制造宏觀量級的反物質在經(jīng)濟上完全不可行。

那為什么還要費這么大勁去運輸它？

答案藏在一個聽起來很小、實際上影響巨大的技術瓶頸里。

CERN 的反物質工廠雖然是全球唯一的反質子來源，但它同時也是一個極其“嘈雜”的電磁環(huán)境。大廳里運行著粒子加速器和各種重型設備，它們產(chǎn)生的磁場波動雖然極其微弱，大約在十億分之一特斯拉的量級，比地球磁場小兩萬倍，但對于 BASE 這樣追求極端精度的實驗來說，這些波動已經(jīng)構成了非常大的障礙。

“反物質工廠里的機器和設備產(chǎn)生的磁場波動，限制了我們能把精密測量推進到多遠，”Stefan Ulmer 解釋道。“BASE 的測量精度已經(jīng)達到了這樣的水平：要想更深入地理解反質子的基本性質，就必須把實驗搬出這棟樓。”

這里說的“基本性質”，指的是反質子的磁矩、電荷質量比這類物理量。BASE 實驗此前已經(jīng)將反質子磁矩的測量精度推到了十五億分之一的水平，電荷質量比的精度則達到了十六萬億分之一。這些數(shù)字聽起來已經(jīng)很驚人了，但物理學家們需要的精度還要再高兩到三個數(shù)量級。

精度為什么如此重要？因為物理學家想要找的東西，就藏在物質和反物質之間那些極其微小的差異里。

根據(jù)粒子物理學的標準模型，大爆炸應該產(chǎn)生了等量的物質和反物質。如果兩者的性質完全對稱，它們就會徹底湮滅，宇宙中什么都不會剩下，沒有星系，沒有恒星，沒有行星，沒有我們。但我們的宇宙顯然存在，而且?guī)缀跬耆晌镔|構成，反物質極為罕見。這是現(xiàn)代物理學最根本的未解之謎之一：反物質去哪了？

如果反質子和質子的某個基本性質存在哪怕極其微小的差異，就可能打破物質和反物質之間的完美對稱，進而解釋為什么宇宙偏向了物質一邊。而要發(fā)現(xiàn)這種差異，就需要把測量精度再往前推幾個數(shù)量級。

而這就是將反物質運出反物質工廠的主要原因。不是為了運輸本身，而是因為運輸是解鎖下一代精密測量的前提。把反質子送到一個電磁環(huán)境安靜的實驗室，測量精度有望提升一百倍甚至一千倍。這個量級的精度躍升，可能足以揭示物質和反物質之間此前看不到的差異，當然，前提是這種差異存在的話。

而且，如果反物質可以被常規(guī)運輸，CERN 就不再是唯一能做反物質實驗的地方。德國的海因里希·海涅大學、漢諾威萊布尼茨大學，以及其他具備精密測量能力的歐洲實驗室，都有可能獲得反質子樣本，獨立開展實驗。用丹麥奧胡斯大學 ALPHA 實驗負責人 Jeffrey Hangst 的話來說，這次運輸成功“為未來許多年的精密測量打開了大門，因為反物質研究不再受限于反物質工廠大廳里的噪聲”。

實現(xiàn)這一切的核心設備，是 BASE 團隊從 2018 年開始研發(fā)的 BASE-STEP（Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons，便攜式反質子對稱性測試實驗）。項目負責人、HHU 物理學家 Christian Smorra 說，最初的想法很簡單，就是做一個能塞進汽車后備箱的裝置。“但當你開始研究細節(jié)，弄清楚建造這個阱到底需要什么的時候，它就越變越大。”最終成型的設備重約一噸，需要用吊車裝卸。不過，Smorra 補充說，它至少還能穿過一扇標準實驗室門。

圖丨BASE-STEP（來源：CERN）

BASE-STEP 的核心是一個低溫彭寧阱（Penning trap），利用超導磁體和電場將帶電的反質子束縛在真空中旋轉，懸浮在空間里不接觸任何表面。整個系統(tǒng)包括超導磁體（占了設備重量的大部分，約 600 公斤）、液氦低溫冷卻系統(tǒng)、電力儲備和超高真空腔體。

在這次測試中，92 個反質子被捕獲后，設備從反物質工廠的實驗裝置上斷開連接，用吊車吊上卡車，沿 CERN 園區(qū)道路行駛了約半小時，然后運回原處重新接入。整個操作過程從裝載到卸載歷時約三個小時。全程反質子保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生任何湮滅事件。

這只是第一步。Smorra 和團隊的下一個目標是把反質子送到 HHU 的專用精密測量實驗室，車程大約 8 小時。這意味著超導磁體需要在 8.2 開爾文以下連續(xù)維持至少 8 小時，僅靠液氦儲備不夠，還需要在卡車上安裝發(fā)電機驅動低溫冷卻器。團隊目前正在評估這個方案的可行性。

而即便解決了運輸途中的溫度問題，到達目的地后還有一個更棘手的挑戰(zhàn)：如何把反質子從運輸阱轉移到實驗裝置中，而不讓它們消失。這個“最后一步”的技術方案尚未完全驗證。

另一個現(xiàn)實約束是時間。CERN 即將進入大型強子對撞機（LHC）的升級改造期，大部分設施將關閉運行，預計到 2028 年底才會完成。這也將導致 BASE-STEP 的長距離運輸測試可能要等到那之后才能獲得新的反質子供應。

不過對 Smorra 來說，3 月 24 日這一天已經(jīng)足夠了。三十多年前建造反物質工廠的物理學家們曾經(jīng)夢想過，有一天反物質或許可以被帶出實驗室。Smorra 說，現(xiàn)在這件事終于成為了現(xiàn)實。

92 個反質子，裝在一個一噸重的磁場瓶子里，由一輛普通卡車以 42 公里的時速運送。如果這些反質子全部湮滅，釋放的能量大約只相當于一百萬分之一焦耳，比一秒鐘照在皮膚上的陽光還要弱十億倍。但這次運輸證明了一件事：人類可以把宇宙中最脆弱的物質帶著走。接下來要走的路，是從 CERN 到杜塞爾多夫的 8 小時車程，以及從已知物理學到未知物理學之間那段還看不清終點的距離。

參考資料：

1.https://www.nature.com/articles/d41586-026-00950-w

2.https://www.newscientist.com/article/2520548-antimatter-has-been-transported-by-road-for-the-first-time/

3.https://www.scientificamerican.com/article/physicists-just-took-a-road-trip-with-a-load-of-antimatter-heres-how-it-went/

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