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触摸“反物质世界”的大门,只需要你手中的香蕉

时间:2020-03-21 10:45:44 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

:科普中国

产:崔尔良(西北农林大学)

产:计算机网络信息中心

最近,欧洲核子研究中心(CERN)的ALPHA合作报告了氢原子的反物质对应物,即反氢原子能级结构中的特定量子效应——精细结构和兰姆位移长期以来,科学家们从理论上假设反物质的量子效应与物质是一致的,根据物质的性质对应反物质。测量结果表明,反物质原子的具体量子效应与“普通”物质原子的理论预测一致,为进一步精确测量反物质的具体量子效应和其他基本性质奠定了基础。这种研究有助于揭示物质和反物质之间的区别,研究结果发表在最新的《自然》杂志上。图片:

阿尔法实验自然篇什么是反物质?——科学而不是科幻小说

对许多人来说,反物质在科幻小说中听起来几乎不真实,也是最危险的存在在丹·布朗的悬疑惊悚片《天使与魔鬼》中,光明会从欧洲粒子物理研究所的地下实验室偷走了大量反物质,制造出反物质毁灭炸弹,埋在梵蒂冈,企图在教皇选举日摧毁天主教中心。这部小说后来被改编成同名电影,由汤姆·汉克斯主演。对于中国读者来说,丹·布朗的另一部小说《达芬奇密码》更为著名。

什么是反物质?

物理学将反物质定义为:反物质是物质的对应物。反物质和反物质的物理性质是相似的,但是所有的量子数都是相反的,比如电荷量让我们从最简单的电子开始电子带负电荷,所以对应于电子的反物质“反电子”或“正电子”带正电荷正电子和电子质量相同,但电荷相反。

早在1928年,英国物理学家保罗·狄拉克就将量子理论与狭义相对论相结合,写出了电子在高速运动中的薛定谔方程,即狄拉克方程,狄拉克因此获得了1933年的诺贝尔物理学奖。正如方程x2=4有两个根(x=2或x=-2),狄拉克方程有两个可能的解。一种解决方案表明电子具有正能量,这被称为正能量解决方案,另一种解决方案表明电子具有负能量,这被称为负能量解决方案

但是经典物理学和常识告诉我们,粒子的能量总是正的,不能是负的狄拉克创造性地将负能量解理解为反粒子的能量。他认为每个粒子都有相应的反粒子。这两种粒子性质相同,只是电荷不同。例如,对应于电子的反粒子是正电子,这打开了一个全新的“物质世界”——反物质世界

1932年,卡尔·安德森在研究宇宙射线时发现了正电子,从而证实了狄拉克的大胆预测

的发现启发了人们:每个粒子都有性质相同但电荷相反的反粒子吗?(事实上,不带电荷的粒子也有反粒子,它们的反粒子也不带电荷。例如,光子的反粒子本身就是

科学家开始用各种方法发现反物质科学家试图在宇宙射线中找到反质子,但没有找到。1954年,美国加州伯克利开始运行高能质子同步加速器。第二年,贝瓦龙合作小组首次发现了反质子。这篇文章发表在当年11月1日的《物理评论快报》上。这是第一次观察到带负电荷的反质子。1956年,贝瓦特伦团队发现了反中子。

反物质不仅存在,而且可以“制造”。事实上,目前物理学家已经能够“制造”大量反物质用于实验研究。

欧洲粒子物理研究所的反质子减速器(AD)是一种利用最初的高速反质子减速来研究反质子或反原子性质的仪器。

阿尔法实验(图片:欧洲粒子物理研究所新闻)在欧洲粒子物理研究所反质子减速器大厅

“制造”反物质并不容易,但也不是不可能

首先,我们需要理解爱因斯坦著名的质能方程E=mc2这个方程告诉我们,质量和能量是等价的,可以通过某种方式转化为能量或能量转化为质量。我相信大家对质量转化为能量的例子并不陌生——核裂变和核聚变——核质量的损失被转化为巨大的能量并释放出来,这给我们人类带来了永久解决能源问题的曙光。

要获得反物质,即产生一定质量的粒子,理论上只需要将一定量的能量转化为质量你想要获得的反物质粒子的质量越大,你需要消耗的能量就越多。例如,质子的质量大约是电子的2000倍,产生反质子所需的能量至少是正电子的2000倍。

如果你只想得到轻的反物质,比如正电子-正电子对,高能光子就足够了高能光子可以是一种特殊的电离辐射——伽马辐射一些核衰变会产生伽马射线当然,有核衰变可以直接产生正电子,这是一种β辐射,大多数β辐射产生电子,只有少数直接产生正电子

科学家通过高能加速器加速粒子获得高能,高能粒子碰撞后释放的能量将产生正负物质对我们熟悉粒子加速器,如北京正负电子对撞机的BEPC,欧洲核中心的LHC,日本高能物理研究所的高亮度正负电子对撞机B厂,斯坦福直线加速器的SLC等。

事实上,生命中的一些元素可以通过衰变直接产生反物质例如,钾,一种我们生活中常见的水果,富含香蕉,可以腐烂产生正电子。

天然钾元素大部分为39K,含有少量39K同位素40K。40K是放射性的,可以通过发射电子变成钙40Ca,或者通过发射正电子变成氩40Ar。然而,你可以充满信心和勇气地吃香蕉,你不必担心辐射或正电子会使你湮灭,因为天然钾中放射性同位素40K的含量太低了。毕竟,当你离开剂量时,毒性就是“流氓行为”。

事实上,一种具有很高分辨率的医学成像设备,被称为正电子发射断层扫描(PET/CT),已被广泛用于医学检查正电子发射断层扫描仪由正电子发射断层扫描仪和正电子发射断层扫描仪组成。正电子发射成像是将发射正电子的核素引入人体,人体内发射正电子的正电子和电子经历正电子湮没,并转化为高能光子进行外部成像。PET/CT最终分别给出PET图像、CT图像和组合图像,这对准确确定病变和病变的变化非常重要。

获得反物质非常困难,保存反物质就更难了

如果反物质存在于我们周围——不仅是香蕉产生的正电子,还有宇宙射线中的正电子,不要忘记第一个发现的反物质粒子是宇宙射线中的正电子——那么就会出现一个棘手的问题:反物质确实存在于宇宙中,为什么不容易看到它?

属于物质世界。一旦反物质粒子产生并遇到相应的物质粒子,它们就会被消灭。湮灭的正负材料对将发射高能双光子发射。

正负物质湮灭产生的双光子能量有多高?

让我们以0.5克反物质和0.5克物质为例只需要简单地乘以质能方程就可以知道:E=mc2,其中质量m是正负物质总质量的1克,c是真空中光速约300,000公里/秒,0.5克反物质和0.5克物质碰撞湮灭后将产生90,000,000,000 (90万亿)焦耳的能量。能量

的概念是什么?吃一根普通的香肠(约75克)可以为身体提供300千卡热量,约120万焦耳。如果0.5克反物质湮灭产生的能量转化为提供热量的香肠数量,你需要大约7200万根香肠如果

被转换成美国实战中使用的“胖子”原子弹,那是什么?“胖子”原子弹爆炸产生的能量是20,000吨梯恩梯当量,一克梯恩梯爆炸释放的能量是4,181焦耳,所以很容易获得0.5克反物质湮灭释放的能量超过1,000枚“胖子”原子弹产生的能量!

这就是为什么《天使与魔鬼》中的光明会从欧洲核子研究中心实验室偷走反物质来制造反物质毁灭炸弹,企图摧毁梵蒂冈但是电影没有告诉你光明会用什么容器来装反物质。

,但幸运的是,从技术上来说,制造和储存0.5克反物质几乎是不可能的。这类似于一个经典难题:一位科学家发明了一种能溶解一切的药剂。这药应该放在哪里?自然产生的反物质或人工制造的反物质一旦遇到物质粒子就会被消灭。我们把反物质放在哪里?

是困难的,但理论上它仍然是保存反物质的方法。你不能把反物质储存在一个普通的盒子里,因为反物质会立即湮灭和消失。为了避免反物质和物质之间的直接接触,反物质必须被置于真空环境中,并且真空需要被密封。密封的容器必须由物质制成。你还需要避免反物质运动和容器壁之间的碰撞接触。这时,你需要一个强电磁场来将反物质限制在某个空间。科学家使用一种叫做潘宁陷阱的电磁约束装置来保存反物质潘宁陷阱结构和陷阱中离子运动轨迹示意图(图片:中国知网)

为什么研究反物质世界?——法恩认为极其可怕的科学

反物质是如此危险,找到反物质是如此困难,我们为什么要研究反物质,甚至反物质世界?

反物质和普通物质一样,电荷相反,这只是物理学家的假设。根据与反物质相对应的物质的性质,我们假设反原子发出的光与物质原子发出的光相同,反物质物体也会在重力的作用下落下,但真实情况我们并不知道我们的反物质太少了,反物质的储存非常困难。

事实上,反物质远不止这些反物质还有很多问题,最基本的问题是反物质在哪里?为什么我们的世界是物质而不是反物质?反物质的研究也涉及到我们现在宇宙的合理性

根据大爆炸理论,在宇宙的早期,高能集团产生等量的物质和反物质,产生的正负物质对再次湮灭。这个过程伴随着宇宙的往复膨胀循环在膨胀的过程中,宇宙慢慢冷却下来,正负物质对产生的过程结束,而现存的正负物质应该是等量的。

然而,事实并非如此。目前,科学家发现我们的宇宙几乎只由物质组成。只有证明正负物质之间的对称性并不严格,我们才能证明我们宇宙的存在,即使对称性的破坏只是百万分之一。

因为,如果有大量反物质,就会有湮灭过程。即使它离我们很远,根据人类目前的观察方法也可以观察到它,但事实是我们没有见过它。

我们的物质世界主要由粒子组成,而不是反粒子,这就是著名的正负物质不对称或电荷宇称不守恒(CP破坏)之谜

1956年,美籍华人物理学家·杨(现清华大学中国教授)和李政道发现了弱相互作用下的宇称非守恒。同年,美籍华裔女物理学家吴健雄用钴-60的弱衰变证明了杨莉的理论。次年,杨和李获得了诺贝尔物理学奖正因为正负物质的不对称性,我们今天的宇宙主要由物质组成,而不是反物质。

有些人可能会问,你怎么知道世界是由物质而不是反物质组成的?这是因为我们第一次发现物质,“物质”和“反物质”只是两个名字。如果科学家将另一个宇宙中的宇宙成分命名为“反物质”,那么他们就是一个“反物质”的世界也许,在我们平行的时间和空间中有一个“镜像”世界,也有一个对应的你!参考文献

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