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?

2020-12-05 怪羅科學

中國一線城市的房價怎麼樣，你可能覺得有點貴，但是和反物質相比，那麼點錢就不值一提了。

反物質是世界上最昂貴的物品，每克價格是62.5萬億美元（1克反氫原子的成本）！而2018年中國的GDP總量只有13.2萬億美元左右！

反物質是什麼?

很多人應該都好奇這麼貴的東西到底是什麼！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。

反物質是正常物質的對立面，更具體地說，反物質的亞原子粒子具有與正常物質相反的性質，這些粒子的電荷是相反的。

為了更好地理解反物質，我們需要對物質有更多的了解。物質由原子組成，原子是氫、氦或氧等化學元素的基本單位。

每個元素都有一定數量的原子:氫原子只有一個原子、氦有兩個原子等等。

原子的宇宙是複雜的，真正的探索才剛剛開始。然而，從一個簡單的角度來看，原子內部有被稱為電子、質子和中子的粒子。

圖為：帶相反電荷的電子

反粒子

在原子的核心，也就是原子核裡，有質子(帶正電荷)和中子(帶中性電荷)。通常帶負電荷的電子佔據著原子核周圍的軌道。軌道的變化取決於電子被「激發」的程度(也就是說它們有多少能量)。

根據美國宇航局的說法，反物質的電荷與物質相反。反電子(稱為正電子)的行為像電子，但帶正電荷。反質子，顧名思義，是帶負電荷的質子。

這裡要說明的是，反物質不是反引力，雖然還沒有得到實驗的證實，但現有的理論預測，反物質對重力的作用與正常物質相同。

反物質在哪裡

NASA稱，這些反物質粒子(被稱為「反粒子」)是在大型粒子加速器上產生和研究的，比如歐洲核子研究中心(CERN)運營的大型強子對撞機。

粒子對撞機每天都會產生反粒子。在這些對撞機中，粒子束加速到高速碰撞(與目標或彼此碰撞)，噴出一堆更奇特的粒子(包括反粒子)，不過通常是短暫的存在。

在大爆炸後的最初時刻，只有能量存在。隨著宇宙的冷卻和膨脹，物質和反物質的粒子產生的數量相等。至於為什麼現在物質佔主導地位仍是個未解之謎。

有一種理論認為，在宇宙誕生之初，產生的正常物質要多於反物質，因此即使在相互湮滅之後，仍有足夠的正常物質留下來形成恆星、星系和我們人類。

圖為：用電磁陷阱儲存反粒子

反物質是如何存儲的?

粒子與其反粒子之間的任何接觸都會導致它們立即湮滅，它們的質量會轉化為純粹的能量。因此，為了包存儲反粒子，你必須把它們從所有粒子中分離出來。

通過使用電磁陷阱將粒子限制在磁場中，使它們不會與其他粒子接觸，從而有可能存儲帶電的反物質粒子，如反質子。這些陷阱一般可以容納大約10^12個相同電荷的反粒子。

然而，相同電荷的粒子相互排斥，所以陷阱中存儲的粒子越多，就需要越多的能量來驅動存儲它們的磁場。目前還不可能儲存大量的反質子。

對於電中性的反粒子或反原子，情況就更困難了。用恆定的電場或磁場來包含中性反物質是不可能的，因為這些電場對粒子根本沒有影響。

科學家們正在研究使用「磁瓶」(磁場不均勻作用於磁矩)或「光學陷阱」(使用雷射)的想法，但這仍在研發中。

反物質的用途

最常聽說的反物質作用應該是未來航天技術，用於更遠的星際旅行，還有就是用於製作反物質武器，還有就是它們的研究價值。

圖為：影視作品中的反物質容器

如果你喜歡科幻小說和電影的話，你肯定聽說過它們，在《天使與魔鬼》中，0.25克反物質炸彈就足以將梵蒂岡從地球上抹去，而《星際迷航》中的飛船動力來自反物質。

當反物質粒子與物質粒子相互作用時，它們相互湮滅並產生能量。這使得工程師們推測，未來以反物質為動力的宇宙飛船可能是探索宇宙的一種有效方式。

不過NASA警告說，這個想法有一個巨大的陷阱:製造一毫克反物質需要大約1000億美元。雖然用更少的反物質就能進行研究，但這只是應用所需的最低限度。

要想在商業上可行，這個價格必須下降約1萬倍，另外，製造反物質所消耗的能量遠遠超過反物質與物質反應所產生的能量。

原子彈把原子核的結合能轉換成自由能。結合能是原子質量的一部分(質量=能量)，所以基本上總質量的一小部分轉化為自由能。

而在物質與反物質的碰撞中，所有的質量都轉化為能量。通過E=mc^2就能算出這個能量有多恐怖。

反物質炸彈的作用並不是等於毀滅人類，因為地球隨時都有可能受到小行星的撞擊，而反物質武器或許可以決絕這個問題。

圖為：星際迷航中的宇宙飛船

最後

因為物以稀為貴，在自然界中目前沒有發現反物質，只能在粒子加速器中創造。而且存儲極其困難。

另外它和物質結合帶來的純能量，據說只要不到17克反物質燃料就能讓宇宙飛船航行到離我們最近比鄰星（4.22光年）。

雖然，目前這個昂貴的物質還沒法使用（有研究價值），但許多人還是認為它是有未來的！許多專家甚至認為反物質可以幫助我們發現和治療癌症的方法。

參考資料

How is antimatter contained.Angelsanddemons

百度百科.反物質

Live Science Staff.What is Antimatter.livescience.2014.6.20

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