反物质例子 关于反物质 你可能不知道的十件事!

2019-02-05 - 反物质

为什么宇宙中有物质?这是物理学中最大的谜团之一。恒星、行星、星系和星系团都是由物质构成的,植物和动物也是由物质构成的。本来这是极为自然的事情,但是另一种奇怪的东西出现后,我们就陷入了理解的困境,这种东西就是反物质。

反物质例子

我们先从反物质的物理渊源说起。故事开始于1928年左右。当时,物理学正处于重大改变期。爱因斯坦提出了相对论,阐述了引力的本质,以及当物体以接近光速运动时会发生什么情况。而另一群物理学家正在发展量子力学,来描述粒子的行为。与此同时,英国物理学家保罗·狄拉克试图将这两者联系起来。

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狄拉克提出了一个描述电子运动的数学方程式,即狄拉克方程。这是一个既具有量子力学特征,又满足狭义相对论要求的方程。在方程中,和电子共同存在的还有另一种粒子。它并不是传统带负电荷的电子,而是奇怪的带着正电荷的电子——也就是电子的反粒子。

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1931年,狄拉克预言了电子的反粒子即“反电子”的存在,他还进一步提出质子及其他粒子也应该有相应的反粒子。如果所有粒子都有反粒子,那么就有可能存在完全由反粒子组成的物质,这种物质就是反物质。这是人类第一次意识到可能存在反物质。

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其实早在狄拉克提出反粒子概念之前,反粒子就已经在实验室里留下了踪迹,但被实验物理学家忽略了。那时实验室内探测带电粒子径迹的主要工具是“云室”,云室中高能粒子经过的路径上会出现一条白色的雾,也就是粒子运动的径迹。

在云室内施加磁场后,带电粒子会发生偏转,产生弯曲的径迹。一些科学家注意到,磁场中有一半电子向一个方向偏转,另一半向相反方向偏转。然而长期以来,人们一直认为电子只有一种,因此他们未曾想到那些反常的径迹是反粒子造成的。

在狄拉克预言“反电子”之后,美国物理学家卡尔·安德森怀疑云室中另一半的电子就是“反电子”,于是他开始做实验来证明。1932年8月,他收集到了足够的数据,正式确认“反电子”的存在,并将它们命名为“正电子”。

根据我们对宇宙起源和反物质的了解,物质和反物质都应该是不存在的。因为,反物质具有一个非常重要的特点:当它和物质结合时,会相互湮灭抵消,并产生巨大能量(光子)。另一方面,物理定律表明,宇宙大爆炸产生的巨大能量应该创造了等量的物质和反物质。

而问题就出现在这里——按理说,等量的物质和反物质相遇,就会“同归于尽”。可是大爆炸之后的138亿年,宇宙仍然充满各种天体,所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在,那么反物质都去哪里了?

反物质一直是科幻小说里的常客。在《天使与魔鬼》中,坏人们就试图用反物质炸弹摧毁梵蒂冈,汤姆汉克斯扮演的兰登教授帅气的阻止了这个阴谋。《星际迷航》里,企业号宇宙飞船的燃料正是反物质,利用正反物质的湮灭作为动力实现光速飞行。

但反物质并不仅存在于科幻中。在现实中,反粒子和它的对应例子几乎完全相同,除了他们带有相反电荷和自旋。当物质和反物质相遇时,它们会瞬间湮灭释放出能量。虽说反物质炸弹、反物质飞船啥的可能有点太牵强,但反物质仍然具备许多让你脑洞大开的属性。

科学家用于探索正反物质不对称问题的其中一种方法是研究从大爆炸开始还遗留下的反物质。被安置在国际空间站的阿尔法磁谱仪(AMS)就是一种用于寻找这些反物质的粒子探测器。AMS里的磁场能弯曲宇宙粒子的轨迹,从而分离正反物质。

宇宙线的常规撞击会产生正电子和反质子,但是产生反氦院子的可能性却极小,因为需要大量的能量才能做到。这意味着假如观测到一颗反氦原子核,就会是反物质大量存在于宇宙其他空间的力证。

反物质火箭假想图

除了我们常见的物质外,宇宙中还存在着反物质。自1928年英国物理学家保罗·狄拉克预言反物质存在以来,反物质一直是科学家眼中的“香饽饽”。科学家们认为,反物质研究在高能物理、宇宙演化等方面具有重要意义,深入研究反物质,是解开宇宙起源之谜的重要环节。

从理论上来说,在宇宙大爆炸后,反物质应该与所有物质一同湮灭,因为大爆炸后产生的正反物质应该同量才对。也就是说大爆炸后,正反物质相遇两军交战全军覆没,只留下能量。所以说,我们都不存在!

我们就这么茁壮的存在着了!这又是为什么呢?目前物理学家们绞尽脑汁,想到到唯一可能的答案是:最后,没10亿对正反物质里会多出一个正物质粒子。物理学家们仍然在很勤奋的试图解开这种不对称之谜。

除此之外,反物质还有很多令我们惊叹的特征,美国费米国家实验室和斯坦福直线加速器中心(SLAC)联合创办的《对称》杂志网站,列出了我们可能不知道的关于反物质的十件事。

1正反物质不对称

1928年,狄拉克预言了电子的反粒子——正电子的存在。

1932年,美国科学家卡尔·安德森在研究一种来自遥远太空的宇宙射线过程中,意外地发现了正电子,证实了狄拉克的预言,引起了科学界的震惊和轰动。它是偶然的还是具有普遍性?如果具有普遍性,那么其他粒子是不是都具有反粒子?于是,科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找目标。

1936年,安德森因发现正电子而获得该年度的诺贝尔物理奖。后来其他基本粒子的反粒子也陆续被发现。1955年,美国研究人员制造出了第一个反质子,即电荷为负的质子。

当今我们的宇宙中存在着大量正粒子组成的物质,然而却没有发现由反粒子组成的稳定存在的反物质,这说明宇宙中正反物质之间并不是严格对称的,否则所有的物质都将湮灭。

宇宙起源的标准理论认为,物质与反物质在大爆炸之初是成对或等量产生的。当物质和反物质相遇时,会彼此湮灭,只留下能量。因此,从理论上来说,我们应该都不存在,但事实并非如此,现今所遗留下来的绝大多数是正粒子,这即所谓的“正反物质对称性破坏(对称破缺)”,虽然在几个粒子对撞试验中,都发现了正粒子与反粒子的衰变略有不同,但在数量上仍不足以解释为何现今反物质消失的问题,这在粒子物理学上仍是一大未解之谜,科学家们也对此提出了很多解释。

物理学家们目前正在殚精竭虑地进行研究,希望能够最终厘清这种不对称,或许答案揭晓的那一天,也将开启新的天文学时代序幕。

2反物质比想象的离你更近

少量反物质持续不断地以宇宙射线和高能粒子的形式,天女散花般地降落在地球上。这些反物质粒子到达大气层的范围1到100个/平方米。

但其他反物质来源其实就近在咫尺。比如,香蕉也会产生反物质——它每75分钟会释放出一个正电子。之所以会出现这一现象,是因为香蕉包含有少量的钾-40。钾-40是钾的天然同位素,会在衰变过程中释放正电子。

研究反物质被认为是揭开宇宙起源之谜的重要途径

人体也包含有钾-40,这意味着人体也会释放正电子。由于反物质一旦同物质接触,就会彼此湮灭,因此,这些反物质粒子非常短命。

3身价昂贵但难以企及

尽管物质—反物质湮灭有潜力释放出大量能量,1克反物质或能产生相当于核爆的爆炸规模,但人类目前制造出的反物质少得可怜。

1995年,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质——反氢原子;1996年,费米国家加速器实验室成功制造出7个反氢原子。2000年9月18日,CERN成功制造出约5万个低能状态的反氢原子,这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。2011年5月初,中国科学技术大学与美国科学家合作制造了迄今最重反物质粒子——反氦4。

不过,迄今为止,费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)制造出的所有反质子加在一起只有15纳克(十亿分之一克);而CERN制造的所有反质子加起来仅为1纳克;德国的电子同步加速器(DESY)制造的正电子加起来大约2纳克。即便所有这些反物质一次全部湮灭,它们产生的能量还不足以烧开一杯水。

根本的问题在于制造和存储反物质的效率以及成本,由于目前反物质是由加速器产生的高能粒子打击固定靶产生反粒子,再经减速合成的,此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,且生成反物质的速率极低:仅仅制造1克反物质就需要大约25×1015千瓦时的能量。因此,从生产成本考虑,反物质是世界上最贵的物质。

电影《星际迷航》中的反物质星舰“企业号”

4用“阱”来保存反物质

反物质还难以捕捉和存储。因为反物质只要遇到正物质立刻就会湮灭爆炸,所以我们无法使用任何由正物质制造的容器来存放它,必须为它们建造特殊的“家园”。

带电的反物质粒子,比如正电子和反质子能被保存在彭宁离子阱(Penning traps)内。这些设备可以被看成是小型加速器,依靠磁场和电场让粒子不与阱壁碰撞,使其呈螺旋形运动。据悉,目前,美国国家航空航天局(NASA)和宾夕法尼亚州立大学的科学家们已经能用彭宁离子阱存放1010个反质子一个星期。

但彭宁离子阱对反氢原子等并不起作用,因为,反氢原子不带电,无法被电场“锁住”。相反,它们被保存在俗称的“亚普阱”内。

其实,地球的磁场也类似某类反物质阱。2011年,意大利一个科学团队利用一座宇宙射线探测器成功在范艾伦辐射带发现了反质子带,存在区域距离地球表面350至600公里,这一研究证实了地球磁场能“捕获”反质子的理论。

5反物质可能向上飞

爱因斯坦的广义相对论告诉我们,重力对任何物质都是同等作用的;标准模型理论也预言,引力对物质和反物质应该产生同样的影响。那么重力的作用会使反物质向下落还是向上飞?如果反物质的行为是完全不同的,它们是否会颠覆现有的物理学理论呢?CERN正在进行的“神盾(AEGIS)”实验、“反氢激光物理装置(ALPHA)”实验等都在试图发现这一点。

当然,观察引力对反物质的影响并不像看到苹果从树上掉下来那么容易。这些实验需要将反物质保存在一个阱内或通过让其冷却到绝对零度之上的温度从而让其降速,才能更好地对其进行观察。而且,因为引力是最微弱的基本力,物理学家们必须在这些实验中使用中性的反物质粒子,来预防更强大电场产生的干扰。

6粒子减速器让反物质放慢脚步

对于粒子加速器,我们很多人都已经耳熟能详,但你知道还存在粒子减速器吗?CERN就有一台名为“反质子减速器(Antiproton Decelerator)”的设备。2000年8月10日,CERN宣布这台反质子减速器投入使用。

这台反质子减速器是一个圆形混凝土盒,周长188m,耗资1150万美元。它利用磁场将高能反质子和正电子冷却、减速和聚积,最终在电磁场束缚下形成大量反氢原子,这些“冷”反氢原子的温度仅比绝对零度略高几度,为以后研究反质子和反氢原子等粒子的特性和行为提供了可能。

2014年,CERN的“低速反质子原子光谱和碰撞(ASACUSA)”实验团队将正电子和由反质子减速器产生的低能量反质子混合,首次成功制造出反氢原子束。他们检测到了一束由80个反氢原子构成的、长达2.7米的反物质束流。

7中微子或是自己的反粒子

物质粒子和其反粒子伙伴携带的电荷相反,使科学家们很容易区分彼此。但中微子几乎没有质量,也很少与其他物质相互作用,更加没有电荷,由此,科学家们相信,中微子可能是马约拉纳费米子(与反粒子相同的粒子)。20世纪30年代,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出中微子可以作为自己的反粒子。

研究中微子性质的马约拉纳探测器以及美国的EXO-200等探测实验都旨在通过寻找一种名为无中微子双β衰变的行为,从而确定中微子是否是马约拉纳费米子。有些放射性的原子核会同时衰变,释放出两个电子和两个中微子。如果中微子是自己的反粒子,那么,它们会在双衰变之后瞬间彼此湮灭,科学家们只会看到电子。

找到中微子或能帮助科学家们解释反物质—物质不对称。物理学家们认为,中微子有的轻、有的重。目前存在的是轻中微子,而重中微子只在大爆炸后的一瞬间存在。

8反物质在医学领域“大显身手”

时至今日,人们发现和制造的反物质粒子虽然不多,但像正电子这样的反物质已经不足为奇了。虽然现在还不能像科幻小说里所描述的那样制造和存储大量反物质,但在较小规模上反物质已经得到了应用,比如,在不少医院里使用的正电子发射计算机断层显像(PET)设备,正是用正电子来生成身体的高清图像。

发射正电子的放射性同位素(比如香蕉内发现的钾-40)被附着到葡萄糖等化学物质上,然后一起被注射入血管内。葡萄糖在血管内分解,释放出正电子,正电子遇见体内的电子并彼此湮灭。这一湮灭过程会产生伽马射线,这些伽马射线可被用来构建身体的图像,从而为医生提供诊断依据。

而CERN的科学家们一直在研究将反物质作为一种潜在治疗癌症的手段。物理学家们发现能使用粒子束攻击肿瘤,这些粒子束会在安全地穿越健康组织之后,释放出能量。使用反质子可以添加另一束能量。科学家们已经发现,这一技术对仓鼠的细胞有效,但目前仍然没有在人体进行相关研究。

9大爆炸后的反物质或仍在潜伏

科学家们一直希望“揪出”大爆炸后留下的反物质,从而解决物质—反物质不对称这一谜团。

国际空间站上阿尔法磁谱仪(AMS-02)的使命就包括搜寻这些粒子。2011年搭乘“奋进号”升空的这个先进探测器,被视为可对反物质谜案做出“结案陈词”的科学利器。在今后的十几年里,它将在这个太空中最理想的地方,探索反物质以及反宇宙的存在。除此之外,它的使命还包括寻找宇宙中的暗物质以及探索宇宙射线。

AMS-02是人类送入太空的最大磁谱仪,可以从数十亿个事件中识别一个反粒子。这意味着与以前的实验相比提高了三个数量级的精度。在这样的精度下,探测器将以前所未有的准确度来探测宇宙射线光谱的组成。

AMS-02内部有一个强大的永久磁铁,带电粒子和反粒子将在其作用下向相反的方向偏转,从而让物质和反物质分道扬镳,而不会“见面”导致彼此湮灭。

宇宙射线碰撞一般会产生正电子和反质子,但制造出一个反氦原子的可能性极低,因为这一过程需要大量能量。这意味着,即便只发现一个反氦核,就能成为宇宙某处存在大量反物质的坚实证据。这些物质是在宇宙大爆炸后产生的,它们的发现将成为认知当今宇宙的真正突破。

10反物质推动飞船仍是长路漫漫

反物质潜在且十分诱人的用途是用来制造星际航行火箭的超级燃料。

科学家们早就发现,当反粒子和粒子在高能下碰撞而湮灭时,会释放出大量能量。而这种能量的释放率远远高于核弹、氢弹,大概几克产生的能量就相当于一枚战略核弹。正因为有这样的性质,在科幻小说里,反物质经常作为星际飞船的燃料出现。《星际迷航》系列电影中,“企业号”宇宙飞船可实现曲速飞行、超光速抵达宇宙中任何一个地方,仰仗的正是它的反物质动力系统。

美国肯特州立大学高级研究员张伟明(音译)和西储学院的罗南·基南的分析结果显示,反物质火箭的速度完全能够达到光速的70%。从理论上来说,用反物质作为火箭燃料可能的,但在这项新构想真正付诸实施之前,人们必须解决反物质数量稀少和存储两大难题。

目前,科学家们仍然没有办法大规模制造或收集到足够多的反物质,经过近半个世纪的研究,人类现在也最多只能将反物质(反氢原子)保存1000秒。据媒体报道,2011年,CERN的科学家成功将309个反氢原子保持到1000秒,是此前的5000倍。

不过,科学家就是一群“明知山有虎,偏向虎山行”的人,不少科学家正在进行反物质的制造和存储研究。如果未来某一天,科学家们能够找到制造或收集大量反物质的方法,那么,由反物质推进的星际旅行有可能从梦想走进现实。

但有趣的是,当反物质火箭真正投入使用之后,乘客们还必须开始习惯所谓的相对论效应——当接近以光速飞行,时空并不会移动得那样快。简单地说,从地球到半人马座的旅行,地球时钟会走了大约6年,但实际感觉只过了不到4年半时间而已。

实际上,人体也会释放反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入,人们对反物质作用的认识一定会越来越深刻,反物质世界必将为人类做出贡献。

前面提到啦,哪怕一丢丢的反物质也能制造出巨大的能量,因此在科幻小说里,反物质常常成为那些天马行空的交通工具的燃料。反物质火箭推进理论上是可行的,关键问题所在其实是聚集到足够的反物质使一切变为现实。

目前还没有可以为这个运用大量生产和收集反物质的技术。尽管如此,一小撮科学家已经根据模拟研究出推进器和和储存器了。有一天,当他们真的找到生产和储存大量反物质的方式时,星际旅行或许就成为现实了呢。返回搜狐,查看更多

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