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反物质

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反物质(英语:antimatter)在粒子物理学中是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的,如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子〈正电子〉能形成一个反氢原子,如同电子质子形成一般物质的氢原子。此外,物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭,且因而释放出高能光子伽马射线)或是其他能量较低的正反粒子对。正反物质湮灭所造成的粒子,赋予的动能等同于原始正反物质对的动能,加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差,后者通常占大部分。(爱因斯坦相对论指出,质量能量等价的。)

反物质无法在自然界找到,除非是在稍纵即逝的少量存在(例如因放射衰变宇宙射线等现象)。这是由于反物质若非存在于像物理实验室的人工环境下,则无可避免地随即与自然界的物质发生碰触并湮灭。反粒子和一些稳定的反物质(例如反氢)可以人工制造出极少量,但却不足以达到可对这些物质验证其理论性的程度。

科学科幻方面,焦点环绕在为何所见的宇宙几乎充满了物质、是否有其他地方则是几乎充满了反物质以及是否能够驾驭反物质,在现今可见的宇宙范围中明显的正反物质不对称性成了物理的最大难题之一。许多可能的物理过程都是在探究重子时所发现。

历史

反物质
反物质

1927年12月,英国物理学家保罗·狄拉克提出了电子相对论方程,即狄拉克方程[1]。有趣的是,等式中发现除了一般正能量之外的负能量结果。这显示出一个问题,当电子趋向于朝着最低可能的能级跃迁时;负无限大的能量是毫无意义的。但为了要弥补这条件,狄拉克提出真空状态中是充满了负能量电子的“海”,称作狄拉克之海。任何真实的电子因此会填补这些海中具有正能量的部分。

衍伸这个想法,狄拉克发现海中的这些“洞”则具有正电荷。起初他认为这是质子,但赫尔曼·外尔指出这些洞应该是具有和电子相同的质量。1932年由美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。在此期间,反物质有时也常被称作“反地物质”。虽然狄拉克自己没有使用反物质这个术语,但是后来的科学家将反质子等粒子称呼为反物质[2]。完整的反物质元素周期表由查尔斯·珍妮特(Charles Janet)于1929年完成[3]

性质

反质子反中子反电子如果像质子中子电子那样结合起来就形成了反原子。

反物质和物质一旦相遇,就相互吸引、碰撞并完全转化为光并释放出的巨大的能量,这个过程叫做湮灭。湮灭过程会释放出正、反物质中蕴涵的所有静质量能,根据爱因斯坦著名的质能关系式──E=mc²,一种在科学界受到普遍认同的理论认为,宇宙大爆炸早期曾产生了数量相当的物质和反物质,随后发生的物质和反物质的湮灭消耗掉了绝大部分的正、反物质,遗留下的少部分正物质构成了现如今的物质世界。理论上宇宙大爆炸时所产生的粒子与反粒子应该数量相同,但是为什么现今所遗留下来的绝大多数都是正粒子,这即所谓的“正反物质对称性破坏”(对称破缺),虽然在几个粒子对撞试验中,都发现了正粒子与反粒子的衰变略有不同,即所谓的电荷宇称不守恒(CP破坏),但在数量上仍不足以解释为何现今反物质消失的问题,这在粒子物理学上仍是一大未解决的问题。

尽管在人们已经在实验室中制造出了为数众多的反原子,然而目前在自然界中尚没有发现反物质。一种观点认为即使自然界中存在反物质,它也很快会和正物质发生湮灭。

应用

想像中用反物质当燃料的反物质火箭(英语:antimatter rocket)
想像中用反物质当燃料的反物质火箭英语antimatter rocket

因为物质与反物质的湮灭时质量可完全转换成能量,带来最大的能源效率,且单位产量是核能的千百倍或常规燃料的亿兆倍,所以一直有人研究其作为新能源的可行性,主要用于很难补给燃料的航天用,甚至作为反物质武器。但是由于目前人为制造反物质的方式,是由加速粒子打击固定靶产生反粒子,再减速合成的。此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,且生成反物质的速率极低,因此尚不具有经济价值。此外,反物质与物质相遇会发生湮灭,保存上也是一大问题。

参考资料

  1. ^ P. A. M. Dirac. The Quantum Theory of the Electron. Proceedings of the Royal Society of London: Series A. 1928, 117 (778): 610–624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D. JSTOR 94981. doi:10.1098/rspa.1928.0023. 
  2. ^ M. Kaku, J. T. Thompson. Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe. Oxford University Press. 1997: 179–180. ISBN 0-19-286196-4. 
  3. ^ P. J. Stewart. Charles Janet: Unrecognized genius of the periodic system. Foundations of Chemistry. 2010, 12 (1): 5–15. doi:10.1007/s10698-008-9062-5. 

延伸阅读

外部链接

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