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?

2021-01-09 天文在線

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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

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