科幻電影中幻想的放置反物質的容器BASE-STEP可移動捕集系統質子在CERN園區中運輸的路徑

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

一輛看似普通的貨車從實驗室門口出發，繞行穿過CERN的主基地，又回到了實驗室。這段看似平凡的路程，在物理學上卻有著重要意義：在它的貨艙里，裝載著宇宙中最易碎、也最危險的東西——反物質。反物質研究，是一個開創性且雄心勃勃的項目。

這是科學家第一次將反物質帶離實驗室，并且又安全地將它們送回了實驗現場。 這項實驗的成功，也走出了該機構從瑞士向其他歐洲實驗室輸送反物質的重要一步。

運輸反物質的卡車

圖片來源：CERN

“危險貨品”：只要碰一下，就會消失

你或許在一些科幻作品中聽說過“反物質”，它們總是作為一種極為危險的物品出現：在科幻電影《天使與魔鬼》中，反物質被當作宗教斗爭的武器，四分之一克反物質就能炸掉梵蒂岡。在科幻小說《三體》中，一顆反物質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想：早在1928年，物理學家狄拉克就預言了反物質的存在。在1932年，安德森就通過實驗發現了第一種反物質粒子——正電子，證明了狄拉克的預言。

現代的物理學認為，對于每一種普通粒子，都存在一個“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。當物質與反物質相遇，就會發生“湮滅”，瞬間轉化為純粹的能量。它的能量轉化率高達100%——而太陽內部發生核聚變時，氫燃料的能量轉換率也只有0.7%。

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

但在現實中，CERN的運輸實驗卻很安全——因為反物質的量太少了。

這次運輸的反物質是反質子。我們知道，質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，而反質子有著和質子相同的質量，卻帶有相反的電荷。

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

CERN擁有全世界唯一的反質子減速器，可以用于捕獲反質子

圖片來源：CERN

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

保護反物質的“特種集裝箱”

要把這些“一碰就炸”的粒子帶上公路，傳統的罐子顯然不行。為了“護送”反物質安全上路，科學家研發了一套名為BASE-STEP的頂級“集裝箱”。

圖片來源：CERN

這臺機器本質上是一個移動的“彭寧離子阱（Penning Trap）”。它就像一個“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（比如反質子）懸浮在真空的中央。

一種彭寧阱的結構示意圖，標示電力線和磁力線

圖片來源：維基百科

為了保證反物質在運輸途中不“碰壁”，集裝箱內部裝備了物理學界的“頂級配置”：

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

在卡車上，他們還配備了巨大的電池組和監控電腦。即使斷開實驗室電源，這套系統也能自主堅持運行5小時，為反物質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，在正式運送反物質之前，科學家們在去年5月已經進行了一場完美的“演習”，并將結果發表在頂級期刊Nature（《自然》）上。

這次演習的“貨物”不是反質子，而是它的“雙胞胎兄弟”——質子。雖然質子不會和普通物質湮滅，但它們同樣帶電，可以用來測試這個“特種集裝箱”在公路行駛中的穩定性。

卡車載著105個質子，以峰值42.2公里/小時的速度在CERN園區內行駛了3.72公里。期間經歷了吊車起吊、拖車轉運和卡車顛簸，最大加速度達到了7.7 m/s2。

圖片來源：Nature（2025）

科學家通過監測微弱的感應電流信號，像看車內監控一樣觀察質子的動態。當卡車回到實驗室時，科學家驚喜地發現，出發時的105個質子，回來時依然是105個。

“質子快遞”的完美送達，很好地驗證了這臺移動陷阱的可靠性。因此，科學家們終于可以將珍貴的反質子也裝進卡車，才有了本次成功的實踐。

為什么反物質要費勁“搬家”？

你可能會問：既然CERN有“反物質工廠”，為什么不直接在工廠里研究，非要冒險運出來？

答案是：工廠太“吵”了。

CERN的反物質制造區充斥著微弱的的電磁波動，但想在這里就地測量反物質與物質間的細微性質差別，依然像在搖滾音樂會現場聽針掉落的聲音。

所以，為了看清反物質與物質之間那極其微小的差異，科學家需要把它轉移到更“安靜”的地方去。在未來，他們的計劃是把反物質從日內瓦運送到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（Heinrich Heine University Düsseldorf）正在建造一個世界上最精確的反物質實驗室，如果能夠成功地將反物質運送過去，反物質特性的測量精度有望提升100倍以上。

裝有反物質的BASE-STEP正從起重機上吊起到運輸卡車上;前景是海因里希·海涅大學的博士生 Marcel Leonhardt與BASE-STEP的移動控制終端。

圖片來源：CERN

終極目標：解開我們的存在之謎

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

根據大爆炸理論，宇宙誕生之初應該產生了等量的正反物質。如果真是這樣，它們應該早就互相湮滅，只剩下一片虛無。但現實是，我們和星系都存在著。在我們的宇宙中，物質遠遠多于反物質，這種失衡讓科學家們困惑。

通過將反物質帶到安靜的實驗室進行對比研究，物理學家希望找到物質與反物質之間那極其微小的隱藏差異。或許，那一點點細微的差別，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，真的會與一輛裝載著反物質的卡車擦肩而過。它所運輸的，不僅是脆弱的粒子，更是人類對這個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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