一公斤反物質約三千顆原子彈的能量,研究利用對人類意義重大

2021-01-08 科學探討

反物質是人類已知能夠釋放最大能量的物質,要獲得製造炸彈的反物質,還早著呢。

人類目前已經掌握利用的最高效能源是核裂變和核聚變。核裂變能夠利用參與物質質量的0.13%,核聚變能夠利用參與物質質量的0.7%。前者可以製造原子彈,後者可以製造氫彈。核聚變利用物質質量的比例能夠達到核裂變的5倍多,氫彈之所以比原子彈厲害,就在這裡。人類已經掌握了可控核裂變技術,開發出了核電,造福人類。但核聚變的技術還只能用於不可控的氫彈,可控核聚變還在實驗中,尚無法運用於社會發展。

一切物質能量的釋放,都符合愛因斯坦相對論的質能轉換公式,即:E=mc^2

其中E為物質的總能量,m為物質的質量,c為光速。這個公式告訴我們,所有的物質都蘊含著巨大的能量,只要能夠釋放出來,這個能量就非常驚人。現階段,煤的質能轉換率只達到0.0000028%,原子彈和氫彈質能轉換率為0.13%和0.7%,就那麼恐怖。而反物質湮滅則是能量的完全釋放,也就是100%的釋放,這樣隨便算一下就知道它的威力有多大了。

1克的反物質,要和1克的正物質碰到一起,就會完全湮滅,因此1克的反物質湮滅所釋放的能量,就應該是2克物質的全部能量,這樣其釋放的能量是反物質質量的200%。質能轉換公式就是ΔE=2mc^2這個能量就是核裂變的1538.5倍,是核聚變的285.7倍。據測算,1克反物質所釋放的能量為180000000000KJ,相當於約43000噸TNT黃色炸藥的能量,約3顆廣島原子彈的爆炸威力。

這就是反物質能量的厲害之處。但由於反物質特有的屬性,反物質很難得到和捕捉。反物質的特性就是遇到正物質就會湮滅,沒有了。

反物質開始只是科學家們一個設想,這個世界有粒子,就應該有反粒子。後來發現這是一個普遍現象,幾乎所有的粒子都有反粒子。上世紀三十年代,就發現了正電子,因為電子都是帶負電的,所以正電子就是電子的反物質。從而證實了反物質的存在。人類已經在宇宙太空發現有大量的反物質,在銀河系上方3500光年處有一個反物質噴泉,噴射的反物質高達2940光年。在我們的周圍,這些反物質也普遍存在,比如人體和香蕉都會產生反物質,釋放出正電子。但這個量極少極少,香蕉每75分鐘會釋放一個正電子,這些反物質一出現就與滿世界都是的正物質湮滅了。人類首次捕捉到反物質是在2010年11月,歐洲科學家成功製造出了數以千計的反氫原子,並成功使其中的38個反氫原子存在了0.17秒,這是一個歷史性突破。其實在早些時候,也有科學家製造出少量反氫原子,但由於存在時間太短,無法確認。

這就是反物質最難「伺候」的特性,只要與正物質一接觸就「沒了」。我們世界所見所為罈罈罐罐都是正物質,拿什麼來捕捉和盛裝反物質呢?

科學家們經過幾十年的努力,在加速器裡為反物質製造了一個陷阱,這個陷阱就是電磁力,依靠磁場和電場讓粒子不與任何物體接觸。這個叫彭寧離子阱的設備可以捕捉和保存帶電的反物質粒子,如正電子、質子等,但對不帶電的反氫原子無效。

科學家們只能另闢蹊徑,製造了一種複雜特殊的磁場,利用原子轉動時產生的磁矩微弱磁性,用純磁力來捕獲和約束。大型強子對撞機為這項研究提供了良好條件。科學家們為了鎖住這些快速運動的反物質,還設法製造接近絕對零度的溫度,冷凍這些反物質粒子,讓其處於低能狀態,運動變得很慢,這樣就捕獲和保存了一些反物質。科學家們在彭寧離子阱裡把1010個質子保存了七天,而CERN的科學家成功將309個反氫原子保持到1000秒。

反物質的研究雖然已經取得了突破和進展,但依然任重道遠。

目前全世界科學實驗獲得的反物質加起來也還不夠燒開一杯開水。當然反物質的研究最主要的並不是為了做炸彈,是網絡上老有人用反物質與炸彈相比,才有了這種誤導。反物質的終極作用,是為了人類獲得更高效的能源。尤其是星際旅行,如有能找到又輕便又巨大的能源,就能夠飛得更快更遠,實現人類走向深空的夢想。

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