關於反物質你可能想要知道的10件事

2021-02-15 原理

反物質一直是科幻小說裡的常客。在《天使與魔鬼》中,壞人們就試圖用反物質炸彈摧毀梵蒂岡,湯姆漢克斯扮演的蘭登教授帥氣的阻止了這個陰謀。《星際迷航》裡,企業號宇宙飛船的燃料正是反物質,利用正反物質的湮滅作為動力實現光速飛行。

但反物質並不僅存在於科幻中。在現實中,反粒子和它的對應例子幾乎完全相同,除了他們帶有相反電荷和自旋。當物質和反物質相遇時,它們會瞬間湮滅釋放出能量。雖說反物質炸彈、反物質飛船啥的可能有點太牽強,但反物質仍然具備許多讓你腦洞大開的屬性呢!

1. 我們被反物質全數湮滅啦!(理論上啦~~)


從理論上來說,在宇宙大爆炸後,反物質應該與所有物質一同湮滅,因為大爆炸後產生的正反物質應該同量才對。也就是說大爆炸後,正反物質相遇兩軍交戰全軍覆沒,只留下能量。所以說,我們都不存在!

爸特,我們就這麼茁壯的存在著了!這又是為什麼呢?目前物理學家們絞盡腦汁,想到到唯一可能的答案是:最後,沒10億對正反物質裡會多出一個正物質粒子。物理學家們仍然在很勤奮的試圖解開這種不對稱之謎。

2. 親,您在產生反物質喔~


少量的反物質一直持續以宇宙射線、高能離子的形式從外太空進入地球。科學家也證實了雷暴時反物質的產生。

其實,還有離我們更近的反物質源,比如香蕉會每75分鐘釋放一個正電子(也就是反電子)。因為香蕉含有少量的鉀40,當鉀40衰變的衰變時,偶爾會在過程中釋放一個正電子。

我們人體也同樣含有鉀40,這意味著我們自己也在向外釋放正電子。但反物質與物質接觸後會立刻湮滅,因此這些反粒子存在的時間非常短。

3. 人類已成功創造——極極極少量的反物質


正反物質湮滅能有潛力釋放巨大無比的能量。只需一克的反物質就能產生一顆原子彈能量級別的爆炸。但是,目前人們只創造了極小數量的反物質。

美國費米國立加速器實驗室(Fermilab)的正負粒子對撞機(Tevatron)所產出的所有反物質才只有15納克。而在歐洲核子研究組織(CERN)產生的量大約只有1納克。而德國電子加速器(DESY)大約製造了2納克的正電子。

如果將所有的這些人類製造出的反物質在一起湮滅,所產生的能量還不能燒開一杯茶水呢!主要問題在於生產效率、成本以及存放。1克反物質的製造需要燃盡2.5億億焦耳的能量,花費超過1千萬億美金作為成本。此時小編已受到了不得了的驚嚇( ° ▽、° ) …

4. 有一種陷阱是為反物質而備


要了解反物質,我們要想法阻止他與物質接觸從而湮滅。科學家們構想了一些方法來達到這個目的。

因為它們不帶任何電荷,這些粒子不受電場影響。這類粒子可以置於艾歐菲阱(Ioffe trap)中,它的運作原理是在阱內,有一個區域磁場在每個方向都越來越大,粒子因此被困在磁場最弱的區域,就像一顆大理石球只能來迴轉動在碗的底端。

地球的磁場也可以被運用成某一種反物質阱,科學家已經在範艾倫輻射帶的一些區域內找到了反質子。

5. 反物質「掉」啦


反粒子和粒子的質量相同,但例如電荷、自旋一類的性質卻不同。標準模型預言引力應對正反粒子具有相同的作用。但是這一點卻還未被用實驗證實。

觀察引力對反物質的作用不像觀察蘋果從樹上掉落那麼簡單。實驗需要把反物質置於阱中、或溫度降到只比絕對零度高一點點的情況下觀測。因為引力是所有基本力裡最弱的一種力,所以物理學家只能用中性反粒子做這個實驗,避免被更強的電力幹擾。

6. 粒子減速器君,快幫我抓住那個反粒子!


我們都聽說過粒子加速器,但有沒聽過反物質減速器這個東東嘞?在CERN實驗室裡就有一個環形的反質子減速器,它能捕捉和減速運動中的反質子,從而研究它們的性質。

粒子在像大型強子對撞機(LHC)這樣的環形加速器裡,每環繞一圈都會獲得更多能量。而減速器的運作過程正好相反,粒子在運行過程中受到反向作用力從而被降低速度。

7. 中微子的對應反粒子可能就是它自己


一般來說,一種物質所對應的反物質擁有著相反的電荷,比較容易辨認。而中微子——這種幾乎零質量、無電荷、不愛和其他物質相互作用的幽靈粒子,他們的反粒子或許就是他們自身。科學家認為它們是馬約拉納(Majorana)費米子,1937年,埃託雷·馬約拉納發表論文假想這種粒子存在,一種自身就是它的反粒子的費米子。

一些像馬約拉納演示和EXO-200的科研實驗都致力於探尋中微子中是否存在「無中微子雙beta衰變」,以來證明它們是否是一種馬約拉納費米子。

一些放射性核會瞬間衰變,釋放出兩個電子和兩個中微子。如果中微子真如所假想的,自身就是自身的反粒子,那麼他們應該會在「無中微子雙beta衰變」後互相湮滅,只留下電子能被探測到。

尋找馬約拉納費米子能幫我們解開正反物質不對稱之謎(就是第一條所說的問題)。物理學家猜測馬約拉納中微子應當有重的和輕的。輕的一直存留到今天,而重的只在大爆炸後存在短暫的時間。這些重的馬約拉納中微子不對稱的衰變會導致多餘的一點物質留下而形成今天的宇宙萬物。

8. 反物質已經被運用在醫學裡了喲~


正電子發射計算機斷層掃描(PET)就運用了正電子放射衰變創建影像。當注射到人體內的放射性同位素(就跟前面說到的香蕉裡的一樣)經歷衰變時,它會釋放出正電子。接著正電子會與身體中的一個電子遭遇並湮滅,湮滅時產生的伽馬射線變用來建立圖像。

CERN實驗室裡的科學家同時還在研究是否可以用反物質來治療癌症。醫生已經發現粒子束可以在安全穿越健康組織後直擊腫瘤部分,如果使用反粒子束,那麼它們抵達腫瘤區域後所釋放的能量將大大提高。這個實驗已經在小倉鼠們身上被證實安全高效,但研究者還沒有在人體上進行過類似實驗。

9. 那些本該湮滅掉我們的反物質可能還潛伏在浩瀚宇宙中


科學家用於探索正反物質不對稱問題的其中一種方法是研究從大爆炸開始還遺留下的反物質。被安置在國際空間站的阿爾法磁譜儀(AMS)就是一種用於尋找這些反物質的粒子探測器。AMS裡的磁場能彎曲宇宙粒子的軌跡,從而分離正反物質。

宇宙線的常規撞擊會產生正電子和反質子,但是產生反氦院子的可能性卻極小,因為需要大量的能量才能做到。這意味著假如觀測到一顆反氦原子核,就會是反物質大量存在於宇宙其他空間的力證。

10. 反物質或許可用作太空飛行器的燃料哦


前面提到啦,哪怕一丟丟的反物質也能製造出巨大的能量,因此在科幻小說裡,反物質常常成為那些天馬行空的交通工具的燃料。反物質火箭推進理論上是可行的,關鍵問題所在其實是聚集到足夠的反物質使一切變為現實。

目前還沒有可以為這個運用大量生產和收集反物質的技術。儘管如此,一小撮科學家已經根據模擬研究出推進器和和儲存器了。有一天,當他們真的找到生產和儲存大量反物質的方式時,星際旅行或許就成為現實了呢~~~

圖片來源:Ana Kova/Sandbox Studio

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