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反物质是什么东西(该如何研究反物质)

来源:投稿     浏览:次 时间:2022-09-05 09:39:04

虽然听起来可能像科幻小说,但反物质确实存在于我们的日常生活中。它在现代医学界被普遍使用。而且你家厨房里的香蕉也能产生反物质。(稍后会再次提到这一点。)

反物质是物理学界最大的谜团之一。当一个反物质粒子遇上一个与它相反的正常物质的粒子时,它们会“同归于尽”并爆发出巨大能量。宇宙大爆炸之时,正常物质(即构成你和我等世间万物的东西)和反物质本应该是被等量创造出来的。按照这个思路,我们不禁想问:那样的话,正常物质和反物质难道不是应该正好抵消吗?然后只剩下一个宇宙,充满正反物质毁灭后所产生的能量的尾流。


什么是反物质?

物质是由原子组成的。正如我们从原子图上看到的那样,原子由一个原子核以及一些围着原子核旋转的电子构成,而原子核里又有更小的粒子——质子和中子。不管是氢、碳、氧还是别的物质,原子的种类由原子核里质子的数目决定。(氢有1个质子,碳有6个质子,氧有8个质子。)质子带正电荷。正常状态下的原子,其电子数与质子数相同,因为它需要电子所带的负电荷来起到平衡作用,这样才能使原子保持中性。至于中子,顾名思义,它们本身就是中性的。


所以,比原子更小的粒子——那些构成原子的质子、中子、电子是可以带电荷的,而且它们还可以高速旋转。高速旋转可以反映粒子的角动量,角动量与其旋转速度和旋转方向有关。


我们现在一般相信每一个构成物质的粒子都具有一个与其相关的反物质粒子,除了所带电荷以及旋转特性相反之外,二者完全相同。对电子来说,那个反物质粒子就是一个正电子,它与电子有相同的质量但是带正电荷,而且进行的是与电子反向的转动。物理学家 Paul Dirac 于1928年首次提出了反物质的存在。很快地, Carl Anderson 于1932年发现了正电子。由于他们的研究成果在物理学领域实现了重大突破,二人均获得了诺贝尔物理奖。


尽管理论上认为宇宙大爆炸时产生了大量反物质,但与正常物质相比,我们现在能看到的反物质非常少。反物质的电子,或者说正电子,在医学图像中被用来呈现清晰的人体。你做过 PET 扫描吗?“PET”里的“P”就代表正电子。


你家厨房里的香蕉也能够产生正电子哦。你可能听说过:香蕉富含钾元素。钾原子的原子核里有19个质子。中子数不同的各类钾元素统称为钾的同位素,虽然质子数相同,但它们的稳定性相差较大。香蕉里的钾元素往往是钾-40。钾-40有21个中子,偶尔会衰变为氩(原子核内有18个质子),在这个过程中,它每隔75分钟就会释放一个正电子。听起来好像让人有点恐慌,但是请记住,那些反物质的正电子很快就会消失。我们的身体里也有这类会自动产生微量反物质的同位素。

我们可以如何研究反物质?

为了研究反物质以决定它的用途以及最终解释我们的宇宙缘何能存在着过剩的使人类得以存在的正物质,粒子物理学家们可以在粒子加速器中通过反应产生一定的反物质,比如埋在法国-瑞士边界的距离地表约100米深处的大型强子对撞机。


反物质粒子在高速碰撞中产生,但是为了能更好地观察它们,物理学家必须用一种被称为反质子减速器的装置使其减速。

在CERN(欧洲核子研究组织)和大型强子对撞机所在的研究机构,未来会有许多与反物质有关的实验。粒子物理学家们就反质子对生物带来的影响展开调查与研究:我们是否可以用反物质来对抗肿瘤?反氢原子在遇到氢原子时会如何反应?地心引力是否会对反物质施加与正常物质一样的作用……关于反物质研究,CERN上提供了清晰的历史时间线,有兴趣的话可以去浏览。


我们可以造一艘反物质宇宙飞船吗?

《星际迷航》的粉丝们可能想到“进取号”飞船就是通过正反物质碰撞所产生的能量来推动自身以超光速的速度前进的。现实中,一些团队在针对这种推动力是否能够成真展开研究,比如由前NASA物理学家发起的Tau Zero Foundation。如果那样的话,星际旅行就有可能了。

但是,一个巨大的障碍是费用。早在1999年,NASA就估计过,生产每克反氢的成本大约是625,000亿美元。CERN也曾开出几亿瑞士法郎的价格,仅仅为了通过实验产出十亿分之一克反氢。


至于我们为什么继续存在着、为什么还没在正反物质的激烈碰撞中毁灭,目前为止比较好的解释是,宇宙初创时产生的每十亿对正反物质都带着一个额外的正常物质粒子,这些粒子充斥于宇宙中,然后才有了我们现在所知道的一切。不过,那种最初的不对称又是为何,仍旧是一个谜。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. quickanddirtytips-玮小鸨

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