什麼是反物質——鏡子裡的電荷與自旋

2020-12-05 星宇飄零

最常說的反物質一般是指帶相反電荷的基本粒子或帶相反電荷的基本粒子所組成的強子、原子等。比如普通電子帶負電荷,而反電子則帶正電荷,一般稱為正電子。另外如反中子反質子這類強子則是由與普通中子質子電荷相反的夸克組成的。而由反質子反中子和正電子構成的原子就是反原子了,也就是同種原子的反物質。總的來說帶電基本粒子的反物質就是與之電荷相反的同種基本粒子。

正反氫原子
正反氫原子的湮滅動態圖

那不帶電的基本粒子有沒有反物質呢?也有,比如不帶電荷的中微子就有它的反物質——反中微子。它與中微子的自旋相反。中微子是左旋,反中微子則是右旋,所以這類不帶電基本粒子的反物質就是與其自旋相反的同種粒子。這類粒子還包括光子和未知的暗物質等。

也就是幾乎每一種基本粒子都可能存在反物質。

最早發現的反物質是反電子,是美國實驗物理學家安德森與1932年在宇宙射線裡偶然發現的,他也因此在兩年後拿到了炸藥獎。而關於反物質的最新研究也許就是對於暗物質的探測了。

在理論假設中,暗物質的反物質很有可能就是其自身,(而它不帶電荷,因此很可能它就屬於自旋相反那一類的)而正反物質之間碰撞是會產生湮滅反應的,假如理論假設成立,銀河系裡海量的暗物質很有可能會發生湮滅反應,而這種湮滅反應會因其暗物質粒子的超大質量而釋放出超高能的輻射。關注科技新聞的人可能已經想起來了,這不就是中國的悟空號暗物質粒子探測衛星幹的事嗎?對,悟空號就是幹這個的。

悟空號暗物質探測衛星

當時探測到了疑似暗物質湮滅產生的高能輻射,雖然最終也沒能確認。

去年發現的疑似暗物質湮滅信號

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  • 反物質的世界和正常世界有什麼不一樣的地方呢?
    但如果你進入神秘的反物質世界,這並不奇怪。反物質來源於著名科學家愛因斯坦提出的物質總能量公式,即物質總能量有正負兩個值。科學界認為,也許我們只知道宇宙的一半——積極的物質世界;雖然公式中的負值適用於宇宙的另一半,但它是反物質世界。這種反物質是由具有相反電荷性質和自旋方向的粒子組成的。你把它往東推,它就往西走,這與我們熟悉的物質世界背道而馳。
  • 反物質和暗物質有什麼區別?
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    作者:黎荔曾經看過一個新聞報導,宇宙學中的最大謎團之一,是宇宙為何大部分是由物質而非反物質組成的。在大爆炸發生時,產生了大致相等的物質和反物質,然後它們大部分都湮滅了。但在宇宙中的某處,是否存在著由反物質構成的「鏡子宇宙」,在那裡一切都是反的?為了解決這個問題,物理學家思考過鏡像宇宙存在的可能性。在鏡像宇宙中,粒子的行為與我們的宇宙互為鏡像。所有的一切都是相反的,自旋、電荷、速度、運轉。
  • 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)。而電子的反粒子是正電子,它帶有與電子相同的質量,能量,自旋和等量的正電荷(正電子的電荷為+1,負電子的電荷為-1),但電性相反,正電子也就是電子的反物質。由此延伸,反物質是正常物質的反狀態,科學家設想在宇宙中可能存在完全由反粒子構成的物質,也就是反物質。
  • 物質和反物質的區別:反物質具有相反電荷
    北京時間9月1日消息,據國外媒體報導,此前不管科學家進行怎樣的測試,反物質的行為就像普通物質一樣。在一項最新研究中,物理學家試圖找到物質和反物質之間的區別,令人感到困惑的是,反物質也是一種物質,但它具有相反電荷和其它差異性特徵,它們就像一個「雙面惡魔」。   然而令科學家不解的是宇宙中為什麼會物質多於反物質?其原因並不清楚。
  • 什麼是普通物質、反物質、暗物質和暗能量?
    那麼什麼是反物質、普通物質、暗物質和暗能量呢?以及當今的宇宙中為何不存在反物質?它們去哪了?今天就說下這個問題。什麼是普通物質?我為何要把普通物質放在最前面,首先介紹呢?就拿電子來說,在我們的正物質世界中,電子帶有一個負電荷、自轉為1/2、質量為0.511Mev/c^2,輕子數為+1,那麼電子的反物質版本,正電子其質量和電子一樣,但自旋相反為-1/2,且帶有正電荷,輕子數為-1,也就是說正電子和電子相比較,電荷相反、自旋相反、輕子數相反,其他的任何行為都是一樣的。
  • 物理科普——反物質和暗物質有什麼區別?區別有點大
    反物質和暗物質有什麼區別?雖然都有物質兩個字,但這兩者的區別真的有點大…… 反物質最早是英國物理學家保羅·狄拉克根據電子的相對論性方程——狄拉克方程預言的一種反粒子。由於在狄拉克方程中存在負能解,為了解決這個問題,狄拉克提出了狄拉克海和空穴理論。
  • 追蹤反物質發現史,反物質究竟是什麼?以及反世界存在的可能性
    我認為反物質的發現可能是本世紀物理學所有重大飛躍中最大的飛躍。」-沃納·海森堡要說宇宙中什麼東西最神秘,莫過於我們這個世界的反版本。也就是我們常說的反物質,今天我們就來談論反物質的發現史及其令人驚嘆的特性和難以置信的神秘。讓我們從以下幾個方面開始追蹤反物質之旅吧!
  • 如果將物質的電荷翻轉,是時間倒流?還是一切照舊?
    它說的是如果你把宇宙、宇宙中的所有東西包括翻轉電荷(C)像穿過鏡子(P)一樣將所有東西左右彼此變換,再將時間反演,那麼物理學的基本定律會繼續發揮作用。當我們將(P)與(T)聯合起來看,相當於給一個四維時空坐標取負值,即將(t.
  • 到底什麼是反物質?為什麼要研究反物質?
    反物質是如何被發現的?    我們先從反物質的物理淵源說起。故事開始於1928年左右。當時,物理學正處於重大改變期。愛因斯坦提出了相對論,闡述了引力的本質,以及當物體以接近光速運動時會發生什麼情況。而另一群物理學家正在發展量子力學,來描述粒子的行為。
  • 反物質的科學:1克價值420萬億元的物質
    反氫是最簡單的反物質形式,製造其他的反元素會更加昂貴。迄今為止,只有少量的反氫原子被製造出來的,但僅用於科研目的,屬於非賣品。那麼,為什麼反物質如此昂貴呢?什麼是反物質?反物質的組成與物質相同,但卻具有相反的電荷和自旋。這些物質是由反粒子組成的,反質子和反中子組成了反物質的原子核。物質的原子核周圍繞著帶負電荷的電子,而反物質的原子核周圍則是繞著帶正電荷的正電子。
  • 1克反物質的威力有多大?什麼是反物質?為什麼威力這麼大?
    1克反物質的威力差不多是4.26萬噸左右的TNT炸彈的威力,雖然反物質能源的威懾力還是挺大的,但是在所有的核能當中,反物質能源的威力不足掛齒。在科學家研究反物質能源的時候做的一個實驗是讓正物質和反物質相互碰撞然後產生了巨大的威力,但是反物質越多所產生的威懾力就越大,反物質能源在科學家那裡基本上不值一提。
  • 反物質武器的威力可以毀滅世界嗎?其實並沒有想像中那麼大!
    所以今天就和大家一起來聊一聊反物質。什麼是反物質?既然是反物質中有一個「反」字,那麼一定會有對應的「正」物質,沒有正,何來反呢?性質相反,主要是體現在微觀性質,舉個例子,電子是大家都很熟悉的一種微觀粒子,電子帶有負電荷,自旋是1\2,那麼反電子的性質就與電子相反,也就是反電子帶有正電荷,自旋方向也是相反的,即-1\2,不過正反電子的性質也並非完全相反,兩者的質量、帶有的電量是一致的,也就是說:將電子與反電子的物理性質加上一個數學上的絕對值,那麼兩者就是完全相同的。
  • 反物質的威力有多大?子彈大小的反物質,就能摧毀一座城市!
    1克反物質和普通物質湮滅,將釋放4.3萬噸TNT當量的能量,有效殺傷半徑2.4公裡,可以毀滅一座城市。任何基本粒子都有反物質,反物質和普通物質的靜止質量相等、自旋和磁矩大小相等,所帶電荷量大小相等;但是自旋方向和磁矩方向完全相反,所帶電荷正負相反;比如電子—正電子,質子—反質子等等。
  • 什麼是反物質?為什麼它比核聚變更高效、更清潔?
    我們現在掌握了一個規律,什麼物質的作用最大、蘊含的能量最高、且最稀有,什麼物質就越昂貴。那麼什麼物質最稀有呢?或者什麼物質中蘊含著人類所需要的能量呢?你可能想到了黃金這種稀有金屬,以及像鈾這種核裂變的材料。
  • 自旋電子學Nature:反鐵磁氧化鐵中的可調長程自旋輸運
    【引言】   自旋電子學是基於自旋輸運的新興科學技術。所謂自旋其實是電子的內稟角動量,與質量、電荷一樣是電子自身固有性質。電子自旋輸運被認為與傳統電子器件中電子電荷輸運相類似,也可作為載體用於信息傳輸,根據自旋轉移這一特性設計開發的新型電子器件可有望作為現有電子器件的升級替代產品。類似於電流,通過自旋霍爾效應電子發生特定的偏轉,從而產生自旋流(Spin current)。自旋流作為自旋信息傳輸的核心,是發展基於自旋計算器件的關鍵。
  • 暗物質和反物質是什麼?
    反物質是指由反粒子組成的物質,反粒子指的是除了電荷相反以外其它各種性質都與普通基本粒子一樣的粒子。比如自旋和質量都跟電子一模一樣但卻帶著正電荷的正電子就是一種常見的反粒子。暗物質是用來解釋星系外懸臂公轉速度異常的實驗觀測的。
  • 反物質武器竟可炸掉半個地球 反物質是什麼?
    反物質是什麼?反物質就是正常物質的鏡像,正常原子由帶正電荷的原子核構成,核外則是帶負電荷的電子。但是,反物質的構成卻完全相反,它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。愛因斯坦預言過反物質的存在。按照物理學家假想,宇宙誕生之初曾經產生等量的物質與反物質,而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。
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    霍爾效應實現了電荷電流和自旋電流之間的有效轉換,基於此的自旋軌道矩可以通過電流驅動磁翻轉,是現代自旋電子學的關鍵領域。,在具有三角形磁矩結構的反鐵磁材料中成功實現了對自旋電流中自旋極化方向的調控,為反鐵磁自旋電子器件的設計提供了新思路。