反物质
齐思衣2021-02-21 10:245,559

  记得经典漫画‘超人’里天空中出现的世界倒影吗?

  当你照镜子时,镜中的那个你如果真的存在,并出现在你面前,会怎么样呢?科学家们已经考虑过这个问题,他们把镜中那个你叫做“反你”。科学家想象很远的地方有个和我们的世界很像的世界,它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。反物质是一般物质的对立面,而一般物质就是构成宇宙的主要部分。

  粒子物理中的反物质概念

  众所周知,世界由物质构成,而原子构成物质。原子核位于原子中心,由质子和中子组成,带负电荷的电子围绕原子核旋转,这就是物质的基本形式,这些粒子因而被称为基本粒子。事实上基本粒子世界并没有这么简单。质子的质量是电子的 1840倍,这显然引起了科学家的怀疑。爱因斯坦曾根据相对论预言过反物质的存在:“对于一个质量为m,所带电荷为e的物质,一定存在一个质量为m,所带电荷为-e的物质(即反物质)”30年代初,英国青年物理学家狄拉克依据相对论和量子力学原理正式提出了反粒子的假设。之后就有人发现了带正电的电子,这是人们认识反物质的第一步。到了50年代,随着反质子和反中子的发现,人们开始明确地意识到,任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。自然界宇宙喜欢对称,又一次得到了有力证据。

  一系列科学成果使人们似乎越来越接近反物质世界。然而问题并不那么简单。首先,在地球上很难发现反物质。因为粒子与反粒子碰到一起,就会发生‘湮灭’的特性。所以在地球上,反物质一旦碰上其它物质就会被兼并掉。其次,制造反物质相当困难且耗费巨大,需要如SSC或LHC之类的高科技仪器,并且即使制造出反物质,也难以保存,因为地球上的万物都由物质构成。

  我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此,这样的物质被称为正物质,由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从根本上说,反物质就是物质的一种倒转的表现形式。那么,为什么自然界有大量的正物质,而却几乎没有反物质呢?

  说到这里,为什么全世界科学家都在热切追逐反物质?原因很简单:正反物质‘湮灭’时所产生的巨大能量,是人类所知道的最大的能量源, 那几乎是宇宙创始的力量。相当于一粒米大小的10毫克反质子,可以产生相当于200顿化学液体燃料的推进能量。只要用1顿正反物质相互‘湮灭’,就可以产生解决全世界一年所需的能量,并且不留残渣,没有辐射。NASA已经开始研发以反物质为能量的光子宇宙航天器,设想在船头造一面巨大的凹面镜,当飞船需要启动时将正反物质通过燃料库输送到镜面前发生湮灭,而后转化为强烈伽玛射线光子流,通过镜面反射推动飞船。

  下面是小说《天使与魔鬼》(丹·布朗著)中提到的一些:

  反物质是人类目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率释放能量(核裂变的几率是百分之一点五)。反物质不造成污染,也不产生辐射,一小滴反物质就可以维持整个纽约城全天的动能。

  先别过于乐观,个中可隐藏着危机……

  反物质极不稳定,它可以把接触到的任何东西化为灰烬……连空气也概莫能外。仅仅一克反物质就相当于20千吨当量的核炸弹的能量——相当于当年扔在广岛的那颗原子弹的能量。

  当物质与反物质接触,原子最外层的电子因为所带电荷相反而抵消,原子核中的质子也因同样的原因相互抵消,而反中子因磁性与中子相反而与中子进行强烈的碰撞发出惊人的能量。爱因斯坦曾计算过这种完整的能量释放比率,跟这种完全的能量释放相比,核裂变就像划燃一根安全火柴一样微不足道。

  宇宙中有反物质天体吗?

  依据大爆炸理论,宇宙在大爆炸初始形成大量正反粒子,而后由于正反粒子旋转方向相反,分别向宇宙不同方向聚集。因此这给天文学家提出了一个深刻的问题:天上有反恒星和反星系吗?

  月亮是离我们最近的天体,由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。如果月球是由反物质组成的,那么在那位宇航员与月球接触时,湮灭过程早已把他转化为介子了。这是直接证据,表明月亮是正物质天体。至于太阳,那是人类没有可能登陆的地方。那么怎么才能知道它不是由反物质组成的呢?太阳表面的气体很热,其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度,这就是太阳风的起因,若太阳是反物质恒星,太阳风就由反原子组成,它吹到行星上,就会和行星的正原子相湮灭。于是正物质组成的行星会逐渐消失掉,这种消失过程没有发生,就证明了整个太阳系中没有反物质天体。这样,如果要存在反物质天体,它至少应在太阳系之外。

  1979年,美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空,气球上载有一批十分灵敏的探测仪器,结果,它在高空猎取了28个反质子。这是在地球以外第一次发现的反物质。除此之外,还在星际空间发现了反物质流。

  我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系,原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空,而是弥漫着很稀薄的气体。因此,若既有正物质星系又有反物质星系,那么正反物质必会相遇,相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 γ 射线,而没有找到过。于是得出结论:在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生,由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。

  正反物质的不对称疑难

  在多数理论家看来,宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。因此,三千万光年的范围内没有反物质天体,已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信,极早期宇宙中正反物质应当等量。这样,需要做的事是寻找物理机理,来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态。这里,理论家也遇到了非常尖锐的困难。

  在理论家看来,在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出,若这想法是对的,重子的守恒性立即会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至10 13 K以下,由于粒子的热动能已不够,热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终,宇宙中将既没有重子,也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景。事实上,今天宇宙中光子的数目最多.重子的数目是它的十万万分之一左右,反重子的数目很可能还要低许多量级。如果重子数B的守恒性是严格的物理规律,要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后,理论家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子,那么问题的出路在哪儿?

  总之,为彻底揭开宇宙反物质之谜,前面还有漫长路要走。人们已能预料,这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的,它对物理学的影响也将是很深刻的。

  神秘的未知现象,反物质?

  一些科学发现,常常使人们目瞪口呆,难以置信。而正是这些难以置信的发现,推动了人们对客观世界的认识和科学的进步。反物质的发现就是这样。

  1932年,美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子,它的质量和带电量同电子一样,只是它带的是正电,而电子带的是负电。因此,人们称它为正电子。

  正电子是电子的反粒子。

  正电子的发现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,那么其它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的目标。

  1955年,在美国的实验室中反质子被找到了。后来,又发现了反中子。60年代,基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地“挖掘”了出来。

  反物质的发现,使人们自然地联想起了本世纪的许多不解之谜。

  最著名的是被称为“世纪巨谜”的通古斯大爆炸。1908年6月30日凌晨,俄国西伯利亚通古斯地区的泰加森林里,突然发生了一场剧烈的大爆炸。随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响,一片沉睡的原始森林顷刻化为灰烬。大火吞没了数百公里之内的城镇和生命,融化了冰层和冻土,引起山洪爆发、江河泛滥,仿佛“世界末日”到了。据估计,这次爆炸的威力相当于上百颗氢弹一齐爆炸!

  通古斯爆炸震惊了全世界,“通古斯”也一夜之间名扬全球。由于西伯利亚的严寒和交通不便,直到1921年才由前苏联的一个研究小组第一次前去考察。以后世界上其他国家相继派团考察,但至今通古斯大爆炸之谜依然众说纷纭,莫衷一是。其中一种说法便认为是反物质引起的“湮灭”现象。因为这种能级的爆炸除非是流星或陨石坠落,否则无法解释,而那里却没有任何陨石碎块。

  1979年9月22日,美国的一颗卫星拍摄了发生在西非沿海一带的酷似强烈爆炸的照片,经分析,它的强度相当于一次核爆炸。当时,只有美、苏、英等少数几个国家拥有核武器,谁会到如此遥远的地方进行核试验呢?美国政府几经调查,否定了核爆炸的可能性,认为是卫星和陨石撞击使仪器发错了信号,但第二年,这颗卫星又在同一海域记录到了与上次相同的现象,令政界和科学界大惑不解。对坚持通古斯大爆炸是反物质“湮灭”现象的科学家来说,又多了一个论据。

  1984年4月29日晚10时许,日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时,副机长突然发现飞机的前方有一团巨大的“蘑菇云”,而且急速向四周扩散,天空一片灰蓝……与此同时,荷兰的一架班机和这条航线上的其他两架飞机也见到了这种现象。降落后,获悉消息的美国当局立即对这四架飞机及机上人员进行放射性污染测试,结果,没有发现任何放射性污染的痕迹。目击者十分肯定地说这是核爆炸产生的烟雾,因而留下了又一个本世纪的“爆炸之谜”。

  反物质的研究者认为,宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质世界”,它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的“负核”,外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的“正物质”接触,便会在瞬间发生爆炸,物质和反物质变为光子或介子,释放巨大能量,产生“湮灭”现象。

  “反物质说”虽然只是科学上的一种假说,还有待证实,但反粒子等“负性物质”是确实存在的,而且现在又发现了反氘、反氢、反氦等等一系列反物质。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应做的贡献。

  反物质介绍

  世界上最大的科研机构,瑞士的欧洲原子核研究中心新近首次研究成功制造出几滴反物质。反物质与普通物质并并无二致,所不同的是,组成反物质的粒子与组**们所熟知的一般物质电荷相反。

  反物质是人类目前所知道的威力最大的能量源。它能以百分之百的效率释放能量。二核裂变的效率是百分之一点五。反物质不造成污染,也不产生辐射,一小滴反物质就可以供应整个纽约城全天的动能。

  先别过于乐观,其中可能隐藏着危机……

  反物质极不稳定,它可以把接触到的任何东西都化为灰烬,连空气也概莫能外。仅仅一克的反物质就相当于二十千吨当量的核炸弹的能量——也就是相当于当年投在广岛的那颗原子弹的能量。

  反物质直到最近生产量也只是微乎其微,每次只不过几滴。然而,“欧核中心”目前正在开发一种新型的反物子减速器,这是一种先进的反物质生产设备,这种设备有望大幅度提高反物质的生产能力。

  一个严峻的问题摆在人们面前:这种极易爆炸的反物质是能为人类造福,还是会被用于制造有史以来毁灭性最强的武器?

  美国宣称已经拥有反物质保存方法

  人民网2008年11月17日报道:今年九月,美国格林空军基地“革命性弹药”研发小组的负责人肯尼斯·爱德华兹,突然现身美国五角大楼,向美军高官汇报他的最新研究成果。肯尼斯·爱德华兹说: “我们在反物质武器的研究上已获得重大突破——我们成功研发了一种能长期有效储存反物质的容器,这意味着反物质的军事用途即将成为现实!”

  反物质是英国科学家狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)于1928年根据

  相对论: W2/C2-PR2-m2C2=0

  和量子力学理论: [W2/C2-PR2-m2C2] Ψ=0

  推测出来的,1933年12月12日,他因此获得诺贝尔物理学奖金。狄拉克注意到,在相对论方程和量子电动力学的方程中,质量都是成平方出现的,那就是说 m2=(m)(m)=(-m)(-m),那么这个负质量是什么意思呢?于是反物质就被狄拉克这样轻松地从理论上推导出来了。由此看来,诺贝尔奖有时候就是如此简单,只是我们都视而不见或胆量不够,因为狄拉克为此也曾一度被众多科学家们讥讽为疯子。

  现在,组成物质的12种基本粒子的全部反粒子都已经被科学家在加速器中找到。美国实验物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪----AMS被送到太空,就是为了寻找太空中的反物质以及由反物质组成的宇宙。因为反物质和物质相遇就会凐灭,所以反物质无法在自然界找到,必须要到太空深处去寻找。位于法国和瑞士边界,耗资80亿美元,由2000多名物理学家花费14年时间建造的大型强子对撞机---(LHC),已经在2008年9月10日首次运行,用来探索反物质和宇宙大爆炸开始后万亿分之一秒内宇宙中物质的组成。

  根据宇宙大爆炸理论,爆炸形成的物质和反物质应该是对称的,可是我们的宇宙中物质和反物质却是不对称的。否则它们相互凐灭,也就不会有你我以及这宇宙和宇宙中的一切了。那么与我们的宇宙物质对称的反物质哪儿去了呢?1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在,就意味着存在天然的反物质,也意味着人类直接从天然得到反物质的可能性,同时物质与反物质之间的万有斥力,也可以帮助我们解释为什么我们的宇宙在加速膨胀。1979年,美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空,气球上载有一批十分灵敏的探测仪器,结果,它在高空猎取了28个反质子。这是在地球以外第一次发现的反物质。

  物质和反物质在凐灭时会产生巨大的能量,并且不会象核弹那样产生放射线污染,所以被认为是一种最理想的清洁能源。但是科学往往都是一把双刃剑,可以造福人类,当然也可以给人类带来巨大的灾难。由几克反物质制造的炸弹就能毁灭地球,1克反物质产生的能量,就足以为23架航天飞机提供动力。

  反物质的应用,可以从根本上改变能源供应的模式,将会是一场能源革命。但是由于目前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,生产一千亿分之一克的反物质,需要耗资近60亿美元,因此尚不具有经济和应用价值。

此章节为付费章节,请到手机上继续观看

灵魂解码

爱奇艺APP扫一扫随身随时随心看!

使用键盘快捷键的正确方式

请到手机上继续观看

灵魂解码

爱奇艺APP扫一扫随身随时随心看!