关于反物质你可能想要知道的10件事

原理 2018-09-26 08:42:18

反物质一直是科幻小说里的常客。在《天使与魔鬼》中,坏人们就试图用反物质炸弹摧毁梵蒂冈,汤姆汉克斯扮演的兰登教授帅气的阻止了这个阴谋。《星际迷航》里,企业号宇宙飞船的燃料正是反物质,利用正反物质的湮灭作为动力实现光速飞行。


但反物质并不仅存在于科幻中。在现实中,反粒子和它的对应例子几乎完全相同,除了他们带有相反电荷和自旋。当物质和反物质相遇时,它们会瞬间湮灭释放出能量。虽说反物质炸弹、反物质飞船啥的可能有点太牵强,但反物质仍然具备许多让你脑洞大开的属性呢!


1. 我们被反物质全数湮灭啦!(理论上啦~~)




从理论上来说,在宇宙大爆炸后,反物质应该与所有物质一同湮灭,因为大爆炸后产生的正反物质应该同量才对。也就是说大爆炸后,正反物质相遇两军交战全军覆没,只留下能量。所以说,我们都不存在!


爸特,我们就这么茁壮的存在着了!这又是为什么呢?目前物理学家们绞尽脑汁,想到到唯一可能的答案是:最后,没10亿对正反物质里会多出一个正物质粒子。物理学家们仍然在很勤奋的试图解开这种不对称之谜。


2. 亲,您在产生反物质喔~




少量的反物质一直持续以宇宙射线、高能离子的形式从外太空进入地球。科学家也证实了雷暴时反物质的产生。


其实,还有离我们更近的反物质源,比如香蕉会每75分钟释放一个正电子(也就是反电子)。因为香蕉含有少量的钾40,当钾40衰变的衰变时,偶尔会在过程中释放一个正电子。


我们人体也同样含有钾40,这意味着我们自己也在向外释放正电子。但反物质与物质接触后会立刻湮灭,因此这些反粒子存在的时间非常短。


3. 人类已成功创造——极极极少量的反物质




正反物质湮灭能有潜力释放巨大无比的能量。只需一克的反物质就能产生一颗原子弹能量级别的爆炸。但是,目前人们只创造了极小数量的反物质。


美国费米国立加速器实验室(Fermilab)的正负粒子对撞机(Tevatron)所产出的所有反物质才只有15纳克。而在欧洲核子研究组织(CERN)产生的量大约只有1纳克。而德国电子加速器(DESY)大约制造了2纳克的正电子。


如果将所有的这些人类制造出的反物质在一起湮灭,所产生的能量还不能烧开一杯茶水呢!主要问题在于生产效率、成本以及存放。1克反物质的制造需要燃尽2.5亿亿焦耳的能量,花费超过1千万亿美金作为成本。此时小编已受到了不得了的惊吓( ° ▽、° ) …


4. 有一种陷阱是为反物质而备




要了解反物质,我们要想法阻止他与物质接触从而湮灭。科学家们构想了一些方法来达到这个目的。


因为它们不带任何电荷,这些粒子不受电场影响。这类粒子可以置于艾欧菲阱(Ioffe trap)中,它的运作原理是在阱内,有一个区域磁场在每个方向都越来越大,粒子因此被困在磁场最弱的区域,就像一颗大理石球只能来回转动在碗的底端。


地球的磁场也可以被运用成某一种反物质阱,科学家已经在范艾伦辐射带的一些区域内找到了反质子。


5. 反物质“掉”啦




反粒子和粒子的质量相同,但例如电荷、自旋一类的性质却不同。标准模型预言引力应对正反粒子具有相同的作用。但是这一点却还未被用实验证实。


观察引力对反物质的作用不像观察苹果从树上掉落那么简单。实验需要把反物质置于阱中、或温度降到只比绝对零度高一点点的情况下观测。因为引力是所有基本力里最弱的一种力,所以物理学家只能用中性反粒子做这个实验,避免被更强的电力干扰。


6. 粒子减速器君,快帮我抓住那个反粒子!




我们都听说过粒子加速器,但有没听过反物质减速器这个东东嘞?在CERN实验室里就有一个环形的反质子减速器,它能捕捉和减速运动中的反质子,从而研究它们的性质。


粒子在像大型强子对撞机(LHC)这样的环形加速器里,每环绕一圈都会获得更多能量。而减速器的运作过程正好相反,粒子在运行过程中受到反向作用力从而被降低速度。


7. 中微子的对应反粒子可能就是它自己




一般来说,一种物质所对应的反物质拥有着相反的电荷,比较容易辨认。而中微子——这种几乎零质量、无电荷、不爱和其他物质相互作用的幽灵粒子,他们的反粒子或许就是他们自身。科学家认为它们是马约拉纳(Majorana)费米子,1937年,埃托雷·马约拉纳发表论文假想这种粒子存在,一种自身就是它的反粒子的费米子。


一些像马约拉纳演示和EXO-200的科研实验都致力于探寻中微子中是否存在“无中微子双beta衰变”,以来证明它们是否是一种马约拉纳费米子。


一些放射性核会瞬间衰变,释放出两个电子和两个中微子。如果中微子真如所假想的,自身就是自身的反粒子,那么他们应该会在“无中微子双beta衰变”后互相湮灭,只留下电子能被探测到。


寻找马约拉纳费米子能帮我们解开正反物质不对称之谜(就是第一条所说的问题)。物理学家猜测马约拉纳中微子应当有重的和轻的。轻的一直存留到今天,而重的只在大爆炸后存在短暂的时间。这些重的马约拉纳中微子不对称的衰变会导致多余的一点物质留下而形成今天的宇宙万物。


8. 反物质已经被运用在医学里了哟~




正电子发射计算机断层扫描(PET)就运用了正电子放射衰变创建影像。当注射到人体内的放射性同位素(就跟前面说到的香蕉里的一样)经历衰变时,它会释放出正电子。接着正电子会与身体中的一个电子遭遇并湮灭,湮灭时产生的伽马射线变用来建立图像。


CERN实验室里的科学家同时还在研究是否可以用反物质来治疗癌症。医生已经发现粒子束可以在安全穿越健康组织后直击肿瘤部分,如果使用反粒子束,那么它们抵达肿瘤区域后所释放的能量将大大提高。这个实验已经在小仓鼠们身上被证实安全高效,但研究者还没有在人体上进行过类似实验。


9. 那些本该湮灭掉我们的反物质可能还潜伏在浩瀚宇宙中




科学家用于探索正反物质不对称问题的其中一种方法是研究从大爆炸开始还遗留下的反物质。被安置在国际空间站的阿尔法磁谱仪(AMS)就是一种用于寻找这些反物质的粒子探测器。AMS里的磁场能弯曲宇宙粒子的轨迹,从而分离正反物质。


宇宙线的常规撞击会产生正电子和反质子,但是产生反氦院子的可能性却极小,因为需要大量的能量才能做到。这意味着假如观测到一颗反氦原子核,就会是反物质大量存在于宇宙其他空间的力证。


10. 反物质或许可用作航天器的燃料哦




前面提到啦,哪怕一丢丢的反物质也能制造出巨大的能量,因此在科幻小说里,反物质常常成为那些天马行空的交通工具的燃料。反物质火箭推进理论上是可行的,关键问题所在其实是聚集到足够的反物质使一切变为现实。


目前还没有可以为这个运用大量生产和收集反物质的技术。尽管如此,一小撮科学家已经根据模拟研究出推进器和和储存器了。有一天,当他们真的找到生产和储存大量反物质的方式时,星际旅行或许就成为现实了呢~~~


图片来源:Ana Kova/Sandbox Studio


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