反物質是科幻小說的素材,在書和電影裡被描繪為天使或惡魔,星際迷航企業號星艦使用物質-反物質湮滅推進來進行比光更快的星際旅行。
但是反物質也是現實的東西。反物質粒子幾乎與它們的物質對應物相同,只是它們攜帶相反的電荷和自旋。當反物質遇到物質時,它們立即湮沒成能量。
雖然反物質炸彈和反物質動力太空船是遙不可及的,但反物質仍然有許多事實會使你的腦細胞興奮加速。
1.在大爆炸之後,反物質應該已經消滅了宇宙中的所有物質。
根據大爆炸理論應該創造出同等數量的物質和反物質。當物質和反物質相遇時,它們就會湮滅,只剩下能量。所以原則上,我們都不應該存在。
但我們依然存在,據物理學家所知,這只是因為每十億個物質--反物質對中有一個額外的物質粒子。物理學家們正在努力工作,試圖解釋這種不對稱。
2.反物質比你想像的更接近你。
少量反物質不斷以宇宙射線的形式降落在地球上,宇宙射線是來自太空的高能粒子。這些反物質粒子以每平方米不到一個到100個的到達我們的大氣層,科學家們也見證反物質產生於雷暴之上。
但是其他的反物質源甚至更接近我們的生活。例如,香蕉產生反物質,大約每75分鐘釋放一次正電子,相當於電子的反物質。這是因為香蕉含有少量的鉀-40,這是一種天然存在的鉀同位素。當鉀-40衰變時,它偶爾會在這個過程中噴出一個正電子。
我們的身體也含有鉀-40,這意味著正電子也是從你身上發射出來的。反物質在與物質接觸時立即湮滅,因此這些反物質粒子壽命很短.
3.人類只製造了少量反物質。
反物質湮滅有釋放大量能量的潛力,一克反物質可以產生一枚核彈那麼大的爆炸。然而,人類現有技術只能產生了少量的反物質。
費米實驗室的Tevatron粒子加速器產生的所有反質子加起來只有15毫微克,在CERN上生產的約為1毫微克,在德國的DESY到目前為止已經產生了大約2毫微克的正電子。
如果人類製造的所有反物質一次性被利用,產生的能量甚至不足以煮一杯茶。
主要問題在於反物質生產和儲存的效率和成本非常高,製造1克反物質將需要大約250億千瓦的能量,花費超過100萬美元。
4.存在反物質陷阱。
為了研究反物質,你需要防止它被物質湮滅,科學家們已經創造出了實現這一目標的方法。
帶電荷的反物質粒子,如正電子和反質子,可以被保存在稱為石牆陷阱。它們可以與微型加速器相媲美,在裡面粒子螺旋旋轉,因為磁場和電場阻止它們與陷阱的牆壁碰撞。
但是石牆陷阱不會作用於中性粒子,比如反氫。因為它們沒有電荷,所以這些粒子不能受到電場的限制。相反,他們被關押在陷阱空間,它是通過創造一個空間區域來工作的,磁場在各個方向都會變大。粒子在磁場最弱的情況下被困在這個區域,就像石球在碗底滾動一樣。
地球的磁場也可以起到反物質陷阱的作用,在地球周圍的區域發現了反質子範艾倫輻射帶.
5.反物質可能下降。
反物質和物質粒子有相同的質量,但在性質上不同,如電荷和自旋。標準模型預測,重力應該對物質和反物質有同樣的影響。
觀察重力對反物質的影響並不像牛頓看著蘋果從樹上掉下來那樣容易,這些實驗需要將反物質保存在陷阱中,或者通過將反物質冷卻到絕對零度以上的溫度來減緩它的速度。由於引力是最薄弱的基本力,物理學家必須在這些實驗中使用中性反物質粒子來防止更強大的電力幹擾。
6.粒子減速器中的反物質。
你聽說過粒子加速器,但你知道還有粒子減速器嗎?有一臺叫做反質子加速器一種能捕獲和減緩反質子來研究其性質和行為的儲存環。
在大型強子對撞機這樣的圓形粒子加速器中,粒子每次完成旋轉時都會得到一股能量。減速器的作用是相反的,而不是能量的增強,粒子會被踢向後,以減緩它們的速度。
7.中微子可能是它們自己的反粒子。
物質粒子及其反物質粒子攜帶相反的電荷,使它們易於分辨。中微子,幾乎沒有質量的粒子,很少與物質相互作用,沒有電荷。科學家認為它們可能是Majorana粒子,是一種假設的粒子類別,是它們自己的反粒子。
一些放射性核同時衰變,釋放出兩個電子和兩個中微子。如果中微子是它們自己的反粒子,它們會在雙衰變之後互相湮滅,而科學家只會觀察到電子。
找到Majorana中微子可以幫助解釋為什麼反物質不對稱存在。這些重的Majorana中微子進行不對稱地衰變,導致微小物質過剩,使我們的宇宙得以存在。
8.反物質用於醫學。
PET(正電子發射層析成像)使用正電子產生高解析度的人體圖像,正電子發射的放射性同位素(如香蕉中的放射性同位素)附著在化學物質上,如人體自然使用的葡萄糖。它們被注入血液中,在那裡它們自然被分解,釋放出正電子,這些正電子在體內相遇並湮滅。這些湮沒產生的伽馬射線被用來構造圖像。
CERN的科學家ACE項目已經研究了反物質作為癌症治療的潛在候選。醫生們已經發現,只有在安全通過國際健康組織審核後,他們才能將能量釋放出來。使用反質子會增加額外的能量爆發。這項技術在倉鼠細胞中被發現是有效的,但是研究人員還沒有對人類細胞進行研究。
9.本應阻止我們存在的反物質可能仍然潛伏在空間中。
科學家們試圖解決反物質不對稱問題的一種方法是尋找大爆炸遺留下來的反物質。
這個α磁譜儀是位於國際空間站上方尋找這些粒子的粒子探測器,探測器在粒子通過時對其進行評估和識別。
宇宙射線碰撞通常產生正電子和反質子,但是產生反氦原子的機率極低,因為它需要大量的能量。這意味著,即使是對單個反氦核的觀測,也將成為宇宙中存在大量反物質的有力證據。
10.人們實際上正在研究如何用反物質為太空飛行器加油。
只有少數反物質能產生巨大的能量,成為科幻小說中未來車輛的一種受歡迎的未來燃料。反物質火箭推進在假設上是可能的,主要的限制是收集足夠的反物質來實現它。
目前還沒有大規模生產或收集反物質所需的技術。然而,少數研究人員對推進和儲藏研究,有一天如果我們能找到一種創造或收集大量反物質的方法,有助於將反物質推動的星際旅行成為現實。