這快遞費(fèi)得多少？人類首次公路運(yùn)輸反物質(zhì)

科幻電影中幻想的放置反物質(zhì)的容器BASE-STEP可移動(dòng)捕集系統(tǒng)質(zhì)子在CERN園區(qū)中運(yùn)輸?shù)穆窂?/p>

2026年3月24日，在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN），一場特殊的“貨運(yùn)任務(wù)”正在拉開帷幕。

一輛看似普通的貨車從實(shí)驗(yàn)室門口出發(fā)，繞行穿過CERN的主基地，又回到了實(shí)驗(yàn)室。這段看似平凡的路程，在物理學(xué)上卻有著重要意義：在它的貨艙里，裝載著宇宙中最易碎、也最危險(xiǎn)的東西——反物質(zhì)。反物質(zhì)研究，是一個(gè)開創(chuàng)性且雄心勃勃的項(xiàng)目。

這是科學(xué)家第一次將反物質(zhì)帶離實(shí)驗(yàn)室，并且又安全地將它們送回了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場。 這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功，也走出了該機(jī)構(gòu)從瑞士向其他歐洲實(shí)驗(yàn)室輸送反物質(zhì)的重要一步。

運(yùn)輸反物質(zhì)的卡車

圖片來源：CERN

“危險(xiǎn)貨品”：只要碰一下，就會(huì)消失

你或許在一些科幻作品中聽說過“反物質(zhì)”，它們總是作為一種極為危險(xiǎn)的物品出現(xiàn)：在科幻電影《天使與魔鬼》中，反物質(zhì)被當(dāng)作宗教斗爭的武器，四分之一克反物質(zhì)就能炸掉梵蒂岡。在科幻小說《三體》中，一顆反物質(zhì)子彈就足夠摧毀一座太空城。

圖片來源：《天使與魔鬼》

這些并非小說家的憑空構(gòu)想：早在1928年，物理學(xué)家狄拉克就預(yù)言了反物質(zhì)的存在。在1932年，安德森就通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了第一種反物質(zhì)粒子——正電子，證明了狄拉克的預(yù)言。

現(xiàn)代的物理學(xué)認(rèn)為，對于每一種普通粒子，都存在一個(gè)“鏡像版”的反粒子。它們就像孿生兄弟，卻帶有相反的電荷和磁矩。當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)相遇，就會(huì)發(fā)生“湮滅”，瞬間轉(zhuǎn)化為純粹的能量。它的能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)100%——而太陽內(nèi)部發(fā)生核聚變時(shí)，氫燃料的能量轉(zhuǎn)換率也只有0.7%。

所以，同樣的燃料質(zhì)量下，正反物質(zhì)湮滅釋放的能量是氫核聚變的140多倍。反物質(zhì)的巨大殺傷力，的確不是危言聳聽。

但在現(xiàn)實(shí)中，CERN的運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)卻很安全——因?yàn)榉次镔|(zhì)的量太少了。

這次運(yùn)輸?shù)姆次镔|(zhì)是反質(zhì)子。我們知道，質(zhì)子是組成我們宇宙中所有原子的原子核的一種基本粒子，它非常非常小，而反質(zhì)子有著和質(zhì)子相同的質(zhì)量，卻帶有相反的電荷。

他們只運(yùn)輸了92個(gè)反質(zhì)子，這些反質(zhì)子的質(zhì)量總和在宏觀世界里，幾乎可以忽略不計(jì)。即便容器失效，所有反質(zhì)子瞬間湮滅，如果沒有精密的儀器測量，我們根本就不會(huì)注意到。

CERN擁有全世界唯一的反質(zhì)子減速器，可以用于捕獲反質(zhì)子

圖片來源：CERN

雖然沒有危險(xiǎn)，但也不意味著科學(xué)家們就能掉以輕心：CERN 的“反物質(zhì)工廠”是全世界唯一能生產(chǎn)低能反質(zhì)子并儲(chǔ)存它們的地方。這些反質(zhì)子是科學(xué)家耗時(shí)數(shù)年、耗資巨額才捕獲到的“宇宙孤品”，也是極為脆弱的“無價(jià)之寶”。稍有不慎，它們就可能在與物質(zhì)的碰撞中“煙消云散”。

保護(hù)反物質(zhì)的“特種集裝箱”

要把這些“一碰就炸”的粒子帶上公路，傳統(tǒng)的罐子顯然不行。為了“護(hù)送”反物質(zhì)安全上路，科學(xué)家研發(fā)了一套名為BASE-STEP的頂級“集裝箱”。

圖片來源：CERN

這臺機(jī)器本質(zhì)上是一個(gè)移動(dòng)的“彭寧離子阱（Penning Trap）”。它就像一個(gè)“沒有墻壁的隱形籠子”，用磁場和電場這兩股看不見的力量，把帶電粒子（比如反質(zhì)子）懸浮在真空的中央。

一種彭寧阱的結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)示電力線和磁力線

圖片來源：維基百科

為了保證反物質(zhì)在運(yùn)輸途中不“碰壁”，集裝箱內(nèi)部裝備了物理學(xué)界的“頂級配置”：

極低溫的容器內(nèi)部被抽成了極高的真空，這才能確保反質(zhì)子不會(huì)撞上任何殘余的空氣分子。然后，科學(xué)家利用強(qiáng)大的超導(dǎo)磁場，在容器中織成了一張無形的“網(wǎng)”，將反質(zhì)子死死地“鎖”在中心。

在卡車上，他們還配備了巨大的電池組和監(jiān)控電腦。即使斷開實(shí)驗(yàn)室電源，這套系統(tǒng)也能自主堅(jiān)持運(yùn)行5小時(shí)，為反物質(zhì)的安全上路提供了保障。

“替身”演練：3.72公里的完美試跑

其實(shí)，在正式運(yùn)送反物質(zhì)之前，科學(xué)家們在去年5月已經(jīng)進(jìn)行了一場完美的“演習(xí)”，并將結(jié)果發(fā)表在頂級期刊Nature（《自然》）上。

這次演習(xí)的“貨物”不是反質(zhì)子，而是它的“雙胞胎兄弟”——質(zhì)子。雖然質(zhì)子不會(huì)和普通物質(zhì)湮滅，但它們同樣帶電，可以用來測試這個(gè)“特種集裝箱”在公路行駛中的穩(wěn)定性。

卡車載著105個(gè)質(zhì)子，以峰值42.2公里/小時(shí)的速度在CERN園區(qū)內(nèi)行駛了3.72公里。期間經(jīng)歷了吊車起吊、拖車轉(zhuǎn)運(yùn)和卡車顛簸，最大加速度達(dá)到了7.7 m/s2。

圖片來源：Nature（2025）

科學(xué)家通過監(jiān)測微弱的感應(yīng)電流信號，像看車內(nèi)監(jiān)控一樣觀察質(zhì)子的動(dòng)態(tài)。當(dāng)卡車回到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，科學(xué)家驚喜地發(fā)現(xiàn)，出發(fā)時(shí)的105個(gè)質(zhì)子，回來時(shí)依然是105個(gè)。

“質(zhì)子快遞”的完美送達(dá)，很好地驗(yàn)證了這臺移動(dòng)陷阱的可靠性。因此，科學(xué)家們終于可以將珍貴的反質(zhì)子也裝進(jìn)卡車，才有了本次成功的實(shí)踐。

為什么反物質(zhì)要費(fèi)勁“搬家”？

你可能會(huì)問：既然CERN有“反物質(zhì)工廠”，為什么不直接在工廠里研究，非要冒險(xiǎn)運(yùn)出來？

答案是：工廠太“吵”了。

CERN的反物質(zhì)制造區(qū)充斥著微弱的的電磁波動(dòng)，但想在這里就地測量反物質(zhì)與物質(zhì)間的細(xì)微性質(zhì)差別，依然像在搖滾音樂會(huì)現(xiàn)場聽針掉落的聲音。

所以，為了看清反物質(zhì)與物質(zhì)之間那極其微小的差異，科學(xué)家需要把它轉(zhuǎn)移到更“安靜”的地方去。在未來，他們的計(jì)劃是把反物質(zhì)從日內(nèi)瓦運(yùn)送到560公里外的德國城市杜塞爾多夫。在那里的海因里?！ずＤ髮W(xué)（Heinrich Heine University Düsseldorf）正在建造一個(gè)世界上最精確的反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，如果能夠成功地將反物質(zhì)運(yùn)送過去，反物質(zhì)特性的測量精度有望提升100倍以上。

裝有反物質(zhì)的BASE-STEP正從起重機(jī)上吊起到運(yùn)輸卡車上;前景是海因里希·海涅大學(xué)的博士生 Marcel Leonhardt與BASE-STEP的移動(dòng)控制終端。

圖片來源：CERN

終極目標(biāo)：解開我們的存在之謎

這輛卡車的背后，承載著物理學(xué)最宏大的終極審問：為什么宇宙中幾乎全是物質(zhì)，而反物質(zhì)卻消失了？

根據(jù)大爆炸理論，宇宙誕生之初應(yīng)該產(chǎn)生了等量的正反物質(zhì)。如果真是這樣，它們應(yīng)該早就互相湮滅，只剩下一片虛無。但現(xiàn)實(shí)是，我們和星系都存在著。在我們的宇宙中，物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)，這種失衡讓科學(xué)家們困惑。

通過將反物質(zhì)帶到安靜的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對比研究，物理學(xué)家希望找到物質(zhì)與反物質(zhì)之間那極其微小的隱藏差異?；蛟S，那一點(diǎn)點(diǎn)細(xì)微的差別，就是解開萬物起源之謎的鑰匙。

也許，在2028年CERN完成升級后，行駛在瑞士或德國的高速公路上的車輛，真的會(huì)與一輛裝載著反物質(zhì)的卡車擦肩而過。它所運(yùn)輸?shù)?，不僅是脆弱的粒子，更是人類對這個(gè)宇宙最極致的好奇心。

作者：張一凡

審核專家：梁文杰 中科院物理研究所 研究員

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