反物質,一種神秘的物質,物理學家苦苦尋找多年,它究竟在何處?

2021-01-05 天文在線

百家號獨家內容。

反物質和普通物質是一樣的,但在某些方面是對稱的,就像人的左手和右手一樣。每一個反粒子都有著和它對應的普通粒子相同的質量,但在某些方面它們的性質卻恰恰相反。例如,質子是一個重子,帶有一個正電荷,而反質子是一個反重子,帶有一個負電荷。與數字的正負無關,就像人的左手和右手,重要的是它們的帶電性質是相反的。

圖解:氫原子由一個帶正電荷的質子和一個帶負電荷的電子構成,由於正負電荷的相互吸引,氫原子的結構是穩定的。同樣的原因,反氫原子的結構也是十分穩定的。

反物質幾乎於普通物質完全相同。由於光子(沒有與之相對應的反粒子)與其它物質相互作用的方式均相同,因此無法通過「看」來分辨它們,除了β衰變。在β衰變的過程中,中子從它的「南極」放射出一個電子,而反中子則從它的「北極」放射出一個正電子。這種差異就像我們的左手和右手相互對稱一樣,沒什麼可奇怪的。

圖解:左圖:由普通物質組成的花;右圖:由反物質組成的花的藝術想像圖。

因此當我們放眼宇宙中的恆星和星系時,我們無法分辨它們是由普通物質還是反物質構成。反物質恆星與普通恆星有著相同的運行方式和軌道,並且同樣會發光。就像電荷的正、符號或左、右撇子一樣,除非將它們放在一起進行比較,否則是很難將它們區分開的。

如果你要這麼做,必須要格外小心,因為當普通粒子與它的反粒子相互作用時,它們會發生湮滅並釋放出大量的能量(通常是以光的形式)。如果你抓住1kg的反物質,它將與你身體的1kg普通物質發生湮滅,並釋放出和有史以來最大的核爆炸相當的能量。

圖解:100英裡外拍攝的沙皇氫彈爆炸,這就是2kg物質瞬間全部轉化成能量的威力。

想要確切地知道物質(任何一種)中儲存了多少能量,僅需使用質能公式:E=mc^2。當你使用這一公式時,一定要使用標準單位(質量:kg,光速:m/s,能量:J),這樣就無需再進行單位換算了。根據這一公式,2kg物質所具有的能量E=(2 kg)(3×10^8 m/s)^2 = 1.8×10^17 J。

當普通物質與反物質相遇時,它們通常會發生碰撞。我們無法通過觀察來分辨一個物體是由普通物質還是反物質構成,但是由於在廣袤的宇宙中,星雲和反物質星雲相互碰撞並發生湮滅的奇觀並不常見,我們可以確信在宇宙(至少是已知的宇宙)中,幾乎所有我們能觀察到的物質都是由普通物質構成的。我們的宇宙對反物質並非友善之地。

那我們為什麼還要假設反物質存在呢?首先,當你重新寫下薛丁格方程(一種精彩的描述粒子運動的方法)來弄清楚相對論(時空的基本理論)時,你會發現該方程有兩個解,因此大部分粒子具有左和右兩種形式(普通物質和反物質);其次,也是最重要的一點,我們能創造出反物質。

在高能狀態下,例如粒子加速器中,能夠隨機生成新的粒子。並且這些新粒子總是成對產生,例如,每生成一個質子的同時也會生成一個反質子。恰到好處的是,生成的質子具有一個正電荷,在磁場中能夠受到電磁力作用,而反質子具有一個負電荷,在磁場中能夠受到與質子相反的電磁力作用,從而使二者的運動方向相反。因此,憑藉極大地智慧和謹慎的實驗設計,科學家們能使用粒子加速器(創造)和粒子減速器(減速和儲存)一次性收集1億個反粒子。

關於反物質,值得一提的是,最近有一種關於將其製作成武器的荒誕設想。設想一下,耗費一個小鎮的電力來運行一個粒子加速器,製造出幾億個反質子,所產生的破壞力相當於一個雨滴「砸」到地上,還不如直接朝敵人扔磚頭。

我們能目擊到的最高能的粒子相互作用發生在上層大氣中,想要看到這一景象需要耐心等待。來自宇宙深空的「上帝粒子」攜帶的能量是歐洲核子研究中心的粒子加速器中產生的粒子能量的9*10^7倍。但是,我們每隔幾個月才能在幾十英裡外觀察到一次這種超高能粒子。因此,我們耗費心力建立歐洲核子研究中心,就是為了能在合適的時間近距離觀察粒子碰撞。

發生在上層大氣中的碰撞會同時產生物質和反物質,一些碰撞的產物會被地球磁場的範艾倫輻射帶俘獲。在那裡存在著幾納克的反物質。由此可見,每一個具有足夠穩定磁場的行星和恆星都擁有極其少量的反物質。如果你要尋找自然形成的反物質,可以到這些地方尋找。

但是如果反物質和普通物質總是成對產生,並且它們並沒有實質性的區別,那為什麼宇宙中的物質都是普通物質呢?沒人知道。這是一個激動人心的未解之謎?目前,重子不對稱問題還是一個懸而未決的問題,雖然人們做出過很多努力來尋找這個問題的答案,但什麼結果也沒得到。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.askamathematician-The Physicist

如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 研究反物質:尋找另一個「我」
    這一發現啟發人們:是不是每一種粒子都存在和它的性質相同卻帶有相反的電荷的反粒子(事實上,不帶電的粒子也有反粒子,它的反粒子也不帶電,比如光子的反粒子是它本身,但是K0介子的反粒子並不是它本身,而是`K0——現代粒子物理學中,介子一般由正反兩個夸克構成,如K0介子,重子一般由三個夸克構成,如質子和中子)。科學家開始通過各種方法去尋找反物質。
  • 宇宙剩下的未解之謎之一:為什麼物質比反物質還多?
    我們知道,關於我們宇宙剩下的其中一個未解之謎是:物質為什麼有比反物質多?然而一項研究表明奇怪的中微子行為或許可以解釋長久以來的反物質之謎!反物質說到這裡,或許許多人對反物質存在疑惑,什麼是反物質呢?其實很簡單,舉個例子來說,我們常說的電子,它其實是一種帶負電的亞原子粒子,通常被表示為e,電子所帶電荷為e=1.6×10-19C(庫侖)。
  • 歐洲核子研究組織使用反物質尋找暗物質
    據外媒New Atlas報導,雖然迄今為止暗物質尚未被直接探測到,但科學家仍在嘗試用各種各樣的方法來尋找暗物質。現在,在歐洲核子研究組織(CERN)進行重子反重對稱性實驗(BASE)的研究人員已經嘗試了一種使用另一種奇怪物質-反物質的新方法來尋找暗物質。
  • 正—反物質不對稱性有了新證據
    「李—楊假說」得到驗證後,科學家開始研究「電荷—宇稱不守恆」(又稱CP破壞),深入探索正反物質之間到底存在怎樣的差別。  「電荷—宇稱不守恆是說某個粒子衰變的行為居然和它的反粒子不一樣,比方說左旋中微子和右旋反中微子之間的差異。」陳繕真說。
  • 任重而道遠:尋找神秘暗物質的關鍵——超對稱粒子
    世界上最大的原子加速器可能正在失去它的暗物質。但是,物理學家們對這些丟失的暗物質有了更清晰的認識(如果暗物質存在的話)。如果我們能看到的東西就是星系包含的所有物質的話,那麼那些星系就會散開來。這表明一些看不見的暗物質聚集在了星系當中,並通過引力將這些星系聚集在了一起。但是沒有一種已知的粒子可以解釋宇宙中的星系網絡。因此,大多數物理學家都認為宇宙中的暗物質是由我們從未見過的某種粒子(或多種粒子)構成的。實驗物理學家已經建造了許多探測器來試圖捕捉它們。
  • 反物質是什麼?可不可能存在由反物質構成的相反世界?
    雖然反物質與正物質有著不同的性質,但反物質依舊是具有質量的,正常物質具有的屬性反物質同樣也具備,只是反物質是正物質的鏡像罷了。1928年物理學家狄拉克首次從理論中預言了正電子的存在,正電子就是電子的反物質,正電子帶正電(後來安德森確實也發現了)。
  • 當反物質和黑洞相遇,會發生什麼?反物質武器或能摧毀宇宙
    黑洞,可以說是宇宙中最為神秘的天體了,因為巨大的引力作用,任何物質靠近它都會被無情的吞噬,很多科學家們談到黑洞的時候,都認為它是宇宙中最為強大的物體,而令大家感到害怕的是,所有被黑洞所吞噬掉的物體都徹底消失匿跡,就好像從未存在過宇宙中一樣,沒有人知道它們的去處,也沒有人知道它們是否還存在。
  • 宇宙的終極能源,反物質的秘密?
    在科幻電影中,動不動就會出現反物質,那麼反物質到底是什麼呢?院長帶你尋找答案。反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。它作為物理學的一種概念和一種思想,反物質早在1898年就曾被英國科學家舒斯特(1851~1934)大膽地作過預言,他認為既然物質是由帶正、負兩類電荷組成的,那麼物質也應該有正反兩種.他甚至預言,在宇宙空間可能存在著反物質組成的恆星和星雲.然而舒斯特的預言沒有科學論證,僅是一種臆測.後來狄拉克對反物質的預言作出了嚴格的理論論證。
  • 宇宙反物質去哪裡了?《自然》:正反中微子不對稱的可能性達95%
    但是正物質和反物質無法和平共處,一旦相互接觸,剎那間就會湮滅得無影無蹤,化為一道強光(高能光子)。如果宇宙大爆炸和正反物質的理論成立,那麼今天的宇宙應該是由光子構成的,既找不到任何物質,也找不到任何反物質。然而眼前的花花世界告訴我們,正物質因為某種神秘的原因大獲全勝。
  • 鑽石探測器可以幫助尋找暗物質
    一種探測暗物質的新方法真的很引人注目。穩網互聯一組科學家表示,鑽石可以用來尋找這種神秘物質。研究人員在6月15日的《物理評論D》上報告說,含有這種晶體的探測器可以發現潛在的暗物質粒子,其質量相對較低。暗物質是一種未知的物質,科學家們認為它的存在一定是為了解釋宇宙觀測,比如星系中恆星運動的速度。最流行的觀點是暗物質由亞原子粒子組成,即弱相互作用的大質量粒子。但是對這些大質量弱相互作用大質量粒子的廣泛搜索卻一無所獲。隨著弱相互作用大質量粒子的逐漸消失,科學家們開始尋找質量較小的潛在暗物質粒子。這就是鑽石探測器可以發光的地方。
  • 新的計算使物質與反物質的比較認知取得長足的進步
    一個國際合作的理論物理學家團隊,包括來自美國布魯克海文國家實驗室(BNL)和日本理研-布魯克黑文國家實驗室(RBRC)的科學家,發布了一種新的計算,該計算與探索宇宙中物質超過反物質的解釋相關。這項名為RBC-UKQCD的合作還包括來自歐洲粒子物理研究中心、哥倫比亞大學、康乃狄克大學、愛丁堡大學、麻省理工學院、雷根斯堡大學、南安普敦大學等的科學家。
  • 反物質飛船能玩星際穿越?至今反物質產量僅幾納克,1克需要1千年
    趣味探索訊 在現代物理學中,反物質無疑是最神秘粒子之一。微觀世界中所有物質皆由粒子構成,其中包括了太陽,月亮和地球,也包括你和我。根據現代物理學的描述,其中每一個普通物質粒子都有一個與之對應的反粒子,當粒子與反粒子相遇時,產生強光子,中微子,還有巨大能量,並且正反粒子一同湮滅。
  • 宇宙失蹤反物質究竟去哪了?歐洲核子研究中心發現了新的線索
    構成我們周圍物質的所有粒子,如電子和質子,都有幾乎相同的反物質形式,且具有相反的電荷等鏡像性質。當一個反物質和一個物質粒子相遇時,它們會在一瞬間湮滅。如果反物質和物質真的是完全相同的,但又是彼此的鏡像拷貝,那麼它們在大爆炸中應該是等量產生的,問題是這會使它全部消失。但是今天,宇宙中幾乎沒有反物質了——它只出現在一些放射性衰變和一小部分宇宙射線中。
  • 反物質是什麼,人類是如何發現反物質的?
    1928年的一天,著名物理學家狄拉克坐在自己的椅子上,翹著二郎腿,長舒了一口氣。他剛剛完成了一項偉大的工作,把量子力學領域的薛丁格方程和宇宙量級上的相對論進行了結合,提出了屬於他的狄拉克方程。薛丁格方程,是用來描述微觀粒子運動的。
  • 比引力波更難找,暗物質究竟是啥?
    比引力波更難找,暗物質究竟是啥?     一些科學家將目光瞄準另一個待解謎團    發現引力波之後,人類科學研究下一個重大突破會是什麼?    一些科學家和媒體開始將目光瞄準了另一個待解謎團:暗物質。
  • 走近反物質,帶你探索它的前世今生
    物理學家表示:儘管在1932年通過實驗首次證實了反物質的存在,但直到2016年12月,才有人觀察到反物質的原子光譜。氫原子光譜。要想看到氫原子光譜,首先你得有一些氫氣,將其加熱,並觀察它發出的光。這很容易操作。事實證明,反氫原子光譜與氫原子光譜完全相同,只是更難發現罷了。
  • 你可能不知道關於反物質的十件事
    但我們依然存在,據物理學家所知,這只是因為每十億個物質--反物質對中有一個額外的物質粒子。物理學家們正在努力工作,試圖解釋這種不對稱。2.反物質比你想像的更接近你。少量反物質不斷以宇宙射線的形式降落在地球上,宇宙射線是來自太空的高能粒子。這些反物質粒子以每平方米不到一個到100個的到達我們的大氣層,科學家們也見證反物質產生於雷暴之上。
  • 什麼是反物質?怎麼理解?宇宙的終極能源,反物質到底有多強?
    反物質是什麼?反物質就是與正常物質狀態相反的物質,比如原子的原子核帶正電,核外是帶負電荷的電子。而在反物質的世界裡,他是由帶負電的原子核和帶正電的電子構成的。也就是說,一切可以相反的性質都會相反。最早提出正電子存在的是,英國物理學家狄拉克,他從理論上論證了正電子的存在。
  • 反物質究竟存在嗎?
    今天聊一聊「反物質」,強調一下可不是「暗物質」,別搞混了,好了還是先一句話說結論,反物質)存在,但是現在能獲得的都是人為製造的,我們知道原子是組成物質的基本粒子,統它的電子組成,它有原子核和圍繞它的電子組成,它的電子組成,原子核呢又是由質子和中子組成,正常情況下電子帶負電。
  • 如果大規模發現反物質,星際旅行將被實現
    在人們認識宇宙的過程中,尤其是大爆炸理論的提出,科學家們認為,大爆炸的能量來源一定會有相反的物質。也就是說,有我們看到的物質,呈穩定狀態之前,一定有與它相反的物質的存在。這樣反物質就形成了初步的概念。本文簡要從什麼是反物質?科學家們發現了反物質嗎?人類利用反物質會怎麼樣?來回答這個問題,歡迎大家共同討論。一.什麼是反物質?