反物質粒子就在我們「頭頂」,它證明了能量真的可以轉化為物質

2020-12-02 李論科學

美國物理學家羅伯特·米利肯曾憑藉其在電子電荷方面的測量成就獲得1923年諾貝爾獎,他創造了名詞:宇宙射線。

諾貝爾獎

1930年,米利肯建議他的學生安德森製作一個足夠強力的磁鐵用於偏轉宇宙射線,在實驗中安德森驚奇的發現宇宙射線中含有正負電荷粒子,兩者數量相當。這是人類首次發現正電子。 原子內部並沒有正電子,至少我們已知的地球上的物質的原子內部沒有,那麼宇宙射線中的正電子是從何而來的呢?安德森無法回答,不過布萊克特和哈裡利卻在同年找到了答案。

布萊克特就職於劍橋大學的卡文迪許實驗室,在盧瑟福的研究小組從事雲室電離實驗的研究。1931年,哈裡利來到了卡文迪許實驗室。他的專長是使用蓋革計數管探測核輻射。經過交流之後,他和布萊克特認識到聯合兩人的專長可以改進雲室的設計,就此一切才開始進入正軌。

他們的想法神奇而又簡單。布萊克特的雲室裝置可以自動錄下其中的圖像,因此可以記錄下某些事件的發生:大多數的圖像都平淡無奇,只有約二十分之一的圖像中有徑跡。蓋革計數管的功用正好和雲室互補:當帶電粒子穿過蓋革計數管時,會產生觸發反應,但是它無法分辨到底是哪種粒子觸發了它。他們的辦法是,將一個蓋革計數管放在雲室上方,另一個蓋革計數管放在雲室下方。如果兩個蓋革計數管同時被觸發,就說明一個宇宙射線粒子穿過了雲室。將蓋革計數管與繼電器連接,它們同時放電產生的電脈衝就會觸發雲室裝置,然後將宇宙射線的徑跡用膠片記錄下來。

(電子和正電子的產生。高能宇宙射線將一個電子從原子中轟擊出來——形成了圖左邊這條從上到下略微彎曲的軌跡。射線的能量很高,從而還產生了一個正電子和一個負電子,這對正負電子形成了圖頂部的兩個小螺旋環)

關鍵的是,在宇宙射線穿過之後雲室才會拍照,此時宇宙射線早跑遠了,而徑跡還在持續產生,說明有些重要的東西被留在了雲室裡面。他們從很多得到的成像中發現,雲室頂部銅板上某個點向外發散出多達20條徑跡,就像淋浴花灑噴出的水一樣。雲室內的強磁場偏轉了這些徑跡,顯示大約一半的粒子帶正電,另一半帶負電。布萊克特和哈裡利認識到,由於地球上不會天然產生正電子,那麼出現的等量正電子和負電子一定是由看不見的高能宇宙射線產生的。

他們的結論是:宇宙射線與電離室中的原子相碰,產生了正電子。雲室的邊緣是玻璃,然後用銅板將玻璃封裝起來;當宇宙射線與金屬相碰時就產生了淋浴花灑。此時,宇宙射線中的一個電子就足以產生大量的正電子和負電子。銅原子內部具有強大的磁場,導致電子穿過時會輻射出γ射線,這些高能的γ射線接著產生出很多對正負電子,正電子不是來自於外太空,而是宇宙射線自己在大氣中創造出來的,所以神秘的反物質粒子一直都在我們頭頂

愛因斯坦的質能方程為E=mc,意思是能量E可以轉化成質量m,即輻射可以轉化成物質。布萊克特和哈裡利首次證實了輻射可以創造出物質,當然還有反物質;他倆證明了安德森的新粒子並非來自於外星球的入侵者,這也驗證了狄拉克1928年關於反物質存在的預言。

這幕大戲裡最後一個有趣之處是,他倆的努力最終卻成就了安德森。安德森一直苦口婆心地想說服他的老師米利肯:他找到的是一個正的電子。布萊克特和哈裡利的工作證明他的理論是毋庸置疑的。1933年2月,布萊克特和哈裡利將文章投稿到了英國《皇家學會學報》上。但是幸運之神眷顧了安德森,因為他在一年前的1932年就將他的試驗性結果公諸於眾了,完全不顧米利肯的各種懷疑。1932年12月,他的圖片發表在了《科學新聞快報》上。幸運女神總是眷顧勇敢的人。

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  • 物質到底是哪來的?人類有辦法把能量轉化為物質嗎?
    其中被我們稱為狹義相對論的是後兩篇,在第一篇中,愛因斯坦統一了時間和空間。而在後一篇中,愛因斯坦統一了能量和質量。但是愛因斯坦對於能量與質量的統一是和大多數人理解得不一樣的。我們平時常常會聽到「質量轉化為能量」這樣的用法,其實這個說法並不準確。
  • 人類的科技難題:物質可以轉化為能量,那能量能轉化成物質嗎?
    人類的科技難題:物質可以轉化為能量,那能量能轉化成物質嗎?相信我們大家都聽說過物質轉化為能量的這個說法,例如我們生活中所經歷的蠟燭現象,就是一個很典型的例子,一個蠟燭原本是一個物質的狀態,但是將它燃燒殆盡,它會轉化為光和熱甚至是煙霧,這就是一個物質轉化為能量的過程。但是物質轉換能量的現象我們經常看到,不過能量轉化物質的過程我們確實見得很少。
  • 物質可轉化為能量,那麼能量可以轉化為物質嗎?
    從這一個角度上來看似乎完全是沒有問題的,但這也太遙遠了,而且這個奇點的條件似乎難以企及,那麼我們人類能將能量轉換成物質嗎?其實也可以,只不過這個代價實在有點大!在高能粒子對撞機裡,比如LHC裡只要讓一個獲得了足夠能量的電子與光相撞即可製造出新的光子和電子,並且在這個過程中還能製造出正反物質的粒子對,儘管在這個過程中正反物質由會瞬間湮滅,但這物質卻是實實在在的存在了,要不然這正反物質對從哪來呢?當然是從能量中轉換而來的!
  • 暗物質不亞於反物質,可以為我們帶來100%的能量,到底怎麼回事呢
    首先我需要說明一點,暗物質和正常物質統稱為物質,暗物質只是物質的另外一種形式,目前並沒有出現在我們的標準模型中,可以肯定的是,暗物質屬於:弱相互作用有質量粒子,這個弱目前還不是很確定,但會發生很強的引力作用,確實是屬於物質的一部分。這個概念很重要,不然真的會產生一些奇奇怪怪的問題。
  • 反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?
    反物質最早出現於狄拉克方程之中,當時的反物質還不過是一種理論預測,但僅僅在4年以後,1932年,人們就在宇宙射線中現了正電子,同時也證明了反物質的真實存在。我們通常所說的電子,都是帶負電荷的,所以也可以稱之為負電子,而正電子恰恰與電子相反,它帶有正電荷。
  • 物質可以轉化為能量,為啥能量很難轉化為物質?
    同時愛因斯坦又告訴我們物質和能量其實是同一個事物的兩個方面,也就是說質量和能量其實就是一回事,就好像一個硬幣的正面和反面,這也說明物質和能量其實是可以相互轉化的,不過物質轉能量比較簡單,比如原子彈爆炸。但是能量要轉化為物質就難的多了,為啥逆過程就很困難呢?今天我來談談這個問題。
  • 物質與能量轉化的奧秘
    近代有人指出一個概念:「思想就是能量」。要證明「思想就是能量」其實也不難,舉個例子:某一天我們在臺灣思念外國的親朋好友,對方在瞬間接到訊息而心有所感,彼此之間馬上建立一條看不見的「能量連線」,而會有打電話和對方聯絡的念頭。這種「意念能量」早在二十世紀初就被科學家發現和證實。
  • 反物質有多大威力?它真的可以毀滅世界嗎?
    「反物質」這個詞相信大家都不會陌生,它是目前人類發現最可怕威力最強的物質,正反物質湮滅100%得轉化,質量全部轉化為能量。這麼說你可能不會有什麼概念,如果告訴你氫彈爆炸的質能轉化率僅為3%,那麼你就可以想像反物質有多麼恐怖了,此前還有人聲稱通古斯大爆炸也是反物質惹的禍,那麼反物質它的威力到底有多強呢?它真的可以使世界毀滅嗎?
  • 為什麼物質轉化能量容易,而能量轉化物質卻非常難?
    大家已經非常習慣了,認為物質轉化能量不是很正常的一件事嗎,但是很多人卻沒有想過這樣一個問題:根據愛因斯坦的質能方程,物質和能量是可以相互轉化的,也就是物質可以轉化為能量,同樣能量也可以轉化物質。如果能量也可以轉化物質,我們就可以用能量造出煤炭,木頭,黃金,鑽石等物質,可以說只要是物體,都可以通過能量來轉化。
  • 物質轉化能量很難,但能量轉化物質卻很簡單,人人都能做到
    而愛因斯坦最廣為人知的,大概就是他提出的質能方程式了,E=mc,簡單而又神奇,它為我們的科技提供無限的可能,由於地球傳統能源的枯竭,我們的目光總是聚集在物質轉化為能量上面。到今天,我們研究出了很多物質轉化為能量的方法,在這裡強調一下,煤和石油等等物質的燃燒不是物質轉化為能量,物質轉化為能量的方法可以分為三大類。
  • 意識從能量場中創造粒子,投射出物質世界
    三、 物質世界。四、 意識。「意識」就是物理學家說的能量(energy),有人稱為「心智」、「本源」、「梵天」、「上帝」,在人類史和不同文化中有許多其他名稱。意識不是物質,卻是在人類所說「物質界」中萬事萬物背後的創造力量。
  • 反物質可以用作能源嗎?
    電影天使和惡魔的海報以反物質威脅人們的場景最早預見反物質的物理學家是哥本哈根學派的成員英國人狄拉克(Am Dirac,1902-1984年),他為量子力學做出了巨大貢獻。在他於1928年建立的電子方程式中,他注意到代表電子能量的正解和負解可以同時存在,並假設存在正電子。
  • 反物質可以用作能源嗎?
    在CERN,我們實際上製作了一個由反質子和正電子組成的氫半原子。 同樣,儘管有限,但反物質正在我們的生活中應用。正電子發射斷層掃描(PET)主要用於大型醫院的腦部疾病診斷,它使用正電子(一種抗微粒子)。換句話說,放出正電子的放射性同位素被顯示在各種基本代謝產物上,然後被施用於人體,然後,檢測由正電子與物質相互作用產生的輻射,以實現斷層掃描圖像。
  • 到底什麼是反物質?我們該如何研究反物質?為什麼它沒有毀掉我們
    雖然聽起來可能像科幻小說,但反物質確實存在於我們的日常生活中。它在現代醫學界被普遍使用。而且你家廚房裡的香蕉也能產生反物質。(稍後會再次提到這一點。)反物質是物理學界最大的謎團之一。當一個反物質粒子遇上一個與它相反的正常物質的粒子時,它們會「同歸於盡」並爆發出巨大能量。宇宙大爆炸之時,正常物質(即構成你和我等世間萬物的東西)和反物質本應該是被等量創造出來的。
  • 「暗物質」——一個必須存在,卻又找不到的物質
    而「暗物質」不參與任何電磁作用,當光照在「暗物質」上時它不會有任何的反應,它甚至還可以輕鬆的從地球的一端穿越到另外一端,我們也不可能用一個容器把「暗物質」裝起來,那麼應該如何尋找「暗物質」呢?人們最早認為「暗物質」是一些我們熟悉的不發光的物質,比如黑洞。
  • 一克價值62.5萬億美元的反物質,在宇宙中到底是什麼物質呢?
    事實上,在過去很長一段時間裡,人們都不確定反物質是否確實存在。1928年,英國科學家保羅·狄拉克預言了反物質的存在。四年後,另一位科學家證明了這是真的。反物質是由與普通物質相同但帶相反電荷的粒子組成的。世界上的每一個粒子都有一個相反的反粒子。
  • 反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?
    我們在平時經常會聽到反物質,暗物質,暗能量等詞彙,這些其實都是物理學中的概念。那它們之間有什麼區別,又和我們這個世界的一般物質有什麼關係呢? 今天,我們就來說說這個問題。
  • 上熱門的「反物質」既是粒子又是波,到底是什麼樣?
    反物質不僅由反粒子構成,它還由波構成。現在我們知道,即使在單個反物質粒子的水平上,這也是成立的。物理學家很早就知道,幾乎所有的東西(光和其他形式的能量,還有你身體裡的每一個原子)都是以粒子和波的形式存在的,這是一個被稱為粒子波二象性的概念,這在實驗中一再被證明。但是反物質粒子,除了電荷和自旋相反之外,與它們的物質伴侶是相同的,要進行實驗就困難得多。這些物質的孿生體通常在巨大粒子加速器中短暫存在。
  • 能量重新轉化成物質可行!
    能量重新轉化成物質可行!物質是可以生成能量的,而且我們在生活中時時刻刻都在見證物質轉化成能量的過程,比如說煤炭燃燒釋放出熱能,石油的利用等。那麼這裡就出現了一個疑問,這個過程可以逆反嗎?也就是說能量變成物質可行嗎?
  • 反物質和暗物質到底是啥玩意,它們真的存在於我們的世界嗎?
    許多人對反物質和暗物質概念很模糊,總把他們搞混了。事實上他們完全不是一碼事,是風馬牛不相及的兩種事物。那麼它們到底真的存在於我們這個世界嗎?下面我們一起來討論一下。先說說反物質。顧名思義,反物質就是反的東西,假定我們生活中的一切都是「正」的,那麼「反」的就是與我們生活「正」的相反的,如反電子、反質子、反原子,以及由這些反原子組成的反物質,如反人、反地球等等。但這些反物質遇到正物質的時候,就會湮滅,在湮滅中爆發出巨大能量。