反物質與正物質碰到一起就湮滅並爆發出巨大能量怎麼能夠保存呢?

2020-12-05 時空通訊

反物質和正物質碰撞到一起,就會消失,科學的術語叫湮滅。

湮滅是在釋放出巨大的能量之後就沒有了,質能轉換的一種方式,是物質全部轉化為能量,符合愛因斯坦質能轉換公式:E=mc^2。

其中E為能量,m為轉換為能量的質量,c為光速。

根據這個公式,1克質量的物質全部轉化為能量,總能量相當於2500萬度電的能量。而平時我們物質轉化為能量的效率是很低的,一噸煤所釋放的熱量,只相當於0.028克物質全部能量的釋放,質能轉換率只有3500多萬分之一,可見我們人類目前所使用能源的技能還是多麼的低下。

但人類開始掌握了一定的質能轉換技巧,比如核裂變發電,也就是現在的核電,這種核裂變產生的能量可以達到質能轉化率的0.13%,所以核電和原子彈的威力十分巨大;核聚變卻能達到0.7%的質能轉換率,是核裂變的5倍多,所以氫彈比原子彈又厲害多了。

但氫彈是一次性爆發的核聚變,是不可控的,只有實現可控核聚變,才能廣泛的造福於人類能源需求。因此攻克可控核聚變是目前世界上最前沿的一個重大科研課題。

而反物質所產生的能量,則是比任何能量都更加高效的能量,是人類在相當長歷史時期追求的終極能量,因為反物質的質能轉化率理論上可以達到100%x2。

這是因為1克的反物質湮滅會與1克的正物質發生反應,從而釋放出2克質量的全部能量。因此理論上物質和反物質的湮滅是質能完美的轉化,質能方程應該為ΔE=2mc^2。

1克物質與反物質湮滅可以產生180萬億焦耳,相當於43000噸炸藥的能量,3顆多廣島原子彈爆炸的威力。

如果用反物質作為飛船燃料的話,將比現在的化學燃料效率高出100億倍,比今後開發出來的核聚變高出200~300倍。反物質發動機的比衝量將是最高的,推力也將達到最大。理論上說,一塊小口香糖大的反物質,與同樣多的正物質湮滅的能量足以讓一艘飛船在太空遊弋百餘年,把人送上火星化學燃料需要上萬噸,如果用反物質只需一個米粒大小就行了,且速度會大大提升。

反物質在這個世界上普遍存在,只是很少,很難獲得。

反物質概念是英國物理學家保羅·狄拉克最早提出來的。他在1928年預言,每一種粒子應該有一個反粒子與之相對應,例如正電子、反質子等。後來科學界陸續發現了這些反粒子,從而沒有反粒子的粒子倒成了稀罕物。

1937年,義大利物理學家馬約拉納提出存在沒有反粒子或者自身就是反粒子的粒子預言。科學家為了找到這種粒子奮鬥了80年,終於在2017年找到了。找到這種叫手性馬約拉納費米子的是華裔科學家張首晟和他的團隊,他們的成果震驚了世界,他們把它命名為「天使粒子」。

到了1997年,科學家發現在距離銀河系上方3500光年處有一個不斷噴射反物質的源頭,噴射出的反物質形成了一個高達2970光年的「反物質噴泉」。2010年,科學家們運用大型加速器等設備,尋找和捕捉到了少量的反粒子~反氫原子。

其實反粒子到處都有,只是在我們這個正物質世界,比較少見。我們人體身上和香蕉都會產生反粒子,據研究,香蕉75分鐘會釋放1個正電子,這些反物質由於量太少,一出現就會與正物質發生反應而湮滅。

所以根據目前科學研究進展,反物質已經不是有沒有的問題,而是很普遍存在的,關鍵是怎麼取得的問題了。

反物質很難捕捉和保存,因為它們一旦與物質接觸,包括加速器等設備的任何部件內壁,一接觸就會湮滅掉。

由此科學家們採取了很多辦法,通過磁場約束和製造接近絕對零度的冷凍環境,形成束縛反物質的陷阱,將反粒子們的運動速度降到很低並禁錮在磁場內,從而延長觀察世間和保存時間。

現在反氫原子保存時間已經從過去的零點幾秒達到了1000秒,反質子的保存達到了一個星期。但這種得來的反物質的量還很少,全世界科學界保存的反質子全部合起來湮滅,也燒不開一杯開水。因此反質子研究還有很長很艱巨的路要走呢。

但時空通訊相信,反物質再也不是一個科幻事物了,而是越來越貼近我們的生活了,在可預期的將來,人類一定能夠掌握這個已知效率最高的能源,造福自己的子孫後代。

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  • 反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?
    現在反物質到底是什麼已經越來越清晰了,反物質其實就是與物質相對的,反物質與其相對的物質的物理性質是相同的,不同的只是量子數,以電子為例,就是電荷相反。既然宇宙中存在著與電子相對應的反物質正電子,那麼是否所有的物質都存在著與之對應的反物質呢?事實證明的確如此,在二十多年後的1954年,人們現了反質子,而1956年又現了反中子,至此,反物質的確存在已經是無可置疑的事情了。
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    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。
  • 反物質是什麼?500克釋放能量超史上最大氫彈
    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。正電子、負質子都是反粒子,它們跟通常所說的電子、質子相比較,電量相等但電性相反。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。
  • 反物質是什麼?500克釋放能量超史上最大氫彈
    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。正電子、負質子都是反粒子,它們跟通常所說的電子、質子相比較,電量相等但電性相反。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。電子和反電子的質量相同,但有相反的電荷。質子與反質子也是這樣。
  • 常樸子:物質湮滅原理(二)
    這種正電子除了電性和電子相反外,一切性質和電子相同。1932年,美國物理學家安德遜在實驗室中發現了狄拉克所預言的正電子。1955年,美國物理學家西格雷等人用人工的方法獲得了反質子。此後人們逐漸認識到,不僅質子和電子,所有的微觀粒子都有各自的反粒子。這一系列科學成果使人們日漸接近反物質世界。然而問題並不那麼簡單。首先,在地球上很難發現反物質。
  • 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。
  • 到底什麼是反物質?為什麼要研究反物質?
    因為,反物質具有一個非常重要的特點:當它和物質結合時,會相互湮滅抵消,並產生巨大能量(光子)。另一方面,物理定律表明,宇宙大爆炸產生的巨大能量應該創造了等量的物質和反物質。而問題就出現在這裡——按理說,等量的物質和反物質相遇,就會「同歸於盡」。可是大爆炸之後的138億年,宇宙仍然充滿各種天體,所有這些天體都是由物質組成的。既然物質都還在,那麼反物質都去哪裡了?
  • 人類如何製造出反物質?
    在物質的原子內部——構成一切的物質——是圍繞中心核旋轉的電子。氫原子是最簡單的元素,由一個電子和一個質子構成的原子核組成。電子帶負電荷,而質子帶正電荷。相反的電荷相互吸引,使原子保持在一起。反氫原子是一樣的,但是電荷是相反的。
  • 關於反物質的十件事:人體也會釋放反物質
    不過,迄今為止,費米實驗室的萬億電子伏特加速器(Tevatron)製造出的所有反質子加在一起只有15納克(十億分之一克);而CERN製造的所有反質子加起來僅為1納克;德國的電子同步加速器(DESY)製造的正電子加起來大約2納克。即便所有這些反物質一次全部湮滅,它們產生的能量還不足以燒開一杯水。
  • 如何製造反物質
    於是,我們看到有一個體形巨大、居於中心、帶負電荷的「反質子」操控著一個飄忽不定、重量極輕、帶正電荷的「正電子」。電荷吸引的原則並沒有改變:無論對物質還是反物質而言,正負電荷都在互相吸引。因此,構成原子、組成分子、堆積成大塊物質的那些電磁力應該同樣可以構建出反原子、反分子和大塊反物質。
  • 反物質武器潛力無窮 高出通常爆炸物質能量100億倍
    如今,歐洲核子研究中心研究員成功地「抓住」了這種反物質。反物質,正常物質的反狀態,極不穩定而幾乎不存在於自然界。一旦遇上正物質,就與之「迅速結合、互相湮滅」。這種「湮滅」並非正反兩種物質化為烏有而消失,實際上,它們的全部質量轉變成能量釋放了出來。反物質的研究始於20世紀40年代後期,但進展緩慢。1986年,人類首次捕獲到反質子,2002年較大批量地製造出了反氫原子。
  • 關於反物質的十件事:人體也會釋放反物質—新聞—科學網
    1955年,美國研究人員製造出了第一個反質子,即電荷為負的質子。 當今我們的宇宙中存在著大量正粒子組成的物質,然而卻沒有發現由反粒子組成的穩定存在的反物質,這說明宇宙中正反物質之間並不是嚴格對稱的,否則所有的物質都將湮滅。 宇宙起源的標準理論認為,物質與反物質在大爆炸之初是成對或等量產生的。當物質和反物質相遇時,會彼此湮滅,只留下能量。
  • 反物質武器潛力無窮,高出通常爆炸物質能量100億倍
    如今,歐洲核子研究中心研究員成功地「抓住」了這種反物質。反物質,正常物質的反狀態,極不穩定而幾乎不存在於自然界。一旦遇上正物質,就與之「迅速結合、互相湮滅」。這種「湮滅」並非正反兩種物質化為烏有而消失,實際上,它們的全部質量轉變成能量釋放了出來。反物質的研究始於20世紀40年代後期,但進展緩慢。1986年,人類首次捕獲到反質子,2002年較大批量地製造出了反氫原子。
  • 反物質、暗物質、負物質,都是什麼鬼?
    除了反電子,反質子也是類似,它帶有負電荷。一切物質都存在其鏡像的反物質,當正反物質相遇時即發生湮滅,會釋放巨大的能量,根據愛因斯坦智能公式E=mc^2。這就奇怪了,兩種方法那都是經歷了考驗的,那如何說明這懸殊的差異呢?除非宇宙間存在不可探測的某種物質,它們的巨大質量產生引力,這樣才能彌補兩種方法計算的差異,於是他推斷宇宙間存在「暗物質」或者「暗能量」。根據測算,暗物質和暗能量佔了整個宇宙的95%以上。
  • 反物質擁有極為可怕的能量,人類是否能製造出反物質武器?
    早前,科學家曾解釋過,反物質是真實存在的事物,它於1986年被人類發現。通過分析宇宙學標準模型,科學家認為,在宇宙誕生之初,宇宙內反物質及正物質的含量比接近1:1。但就如今的情況來看,宇宙內反物質的含量明顯少於正物質的含量,尤其是地球內,地球內幾乎不見反物質的身影,反而充斥著大量正物質。
  • 如何製造反物質(全文)
    於是,我們看到有一個體形巨大、居於中心、帶負電荷的「反質子」操控著一個飄忽不定、重量極輕、帶正電荷的「正電子」。電荷吸引的原則並沒有改變:無論對物質還是反物質而言,正負電荷都在互相吸引。因此,構成原子、組成分子、堆積成大塊物質的那些電磁力應該同樣可以構建出反原子、反分子和大塊反物質。
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