反物质

正,反粒子的自旋方向相反
正,反粒子的自旋方向相反
  反物质,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,如同电子和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。2010年11月17日,欧洲核子研究中心(CERN)科学家,在最新实验中首次成功捕获反物质。

概述

1997年4月,美国天文学家宣布他们在宇宙中发现一个高达2940光年的“反物质喷泉”
1997年4月,美国天文学家宣布他们在宇宙中发现一个高达2940光年的“反物质喷泉”
  
反中子结构模型图
反中子结构模型图
反质子结构模型图
反质子结构模型图
反物质就是由反粒子组成的物质。所有的粒子都有反粒子,这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同,但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数与之相反。反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。当你照镜子时,镜中的那个你如果真的存在,并出现在你面前,会怎么样呢?科学家们已经考虑过这个问题,他们把镜中那个你叫做"反你"。科学家想象很远的地方有个和我们的世界很像的世界,它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。
反(正)电子与电子-内部结构模型图
反(正)电子与电子-内部结构模型图
  反物质正是一般物质的对立面,而一般物质就是构成宇宙的主要部分。例如,氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成,反氢原子则与它正好相反,由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成。物质和反物质相遇后会湮灭,释放出大量能量。反物质无法在自然界找到,除非是在稍纵即逝的少量存在(例如因放射衰变或宇宙射线等现象)。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。
  在科学与科幻领域,都有很大的疑问关于为何所见的宇宙很明显地几乎充满了物质、是否有其他地方几乎充满了反物质,以及是否能够驾驭反物质,但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之谜中的最大难题之一。许多可能的物理过程都是在探究重子时所发现。

历史

       反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在20世纪30年代预言,每一种离子镀应该有一个与之相对的反粒子,例如反电子,其质量与电子完全相同,而携带的电荷正好相反。
  1927年12月,英国物理学家保罗·狄拉克提出了电子的相对论方程式,即狄拉克方程。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阶跃迁时;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Hermann Weyl指出这些洞应该是具有和电子相同的质量。
  1932年美国物理学家卡尔·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"。反质子、反中子和反电子如果像质子、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、碰撞而100%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=mc?,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,及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。

爆发能量

       科学家认为,制造出大量反氢原子,有助于验证CPT守恒假设的正确性和宇宙标准模型的普适性。如果发现反氢原子与氢原子在物理规律上并不完全对等,将给物理学和宇宙学的一些基础问题带来非常重要的新启发。例如宇宙大爆炸理论认为,宇宙诞生时,从虚无中产生了相等数量的物质和反物质。但人们观察到的宇宙中,物质显然占绝对的主导地位。对反氢原子的研究,可能有助于解开这个疑点。
1999年7月24日的太阳环状喷射产生了反物质
1999年7月24日的太阳环状喷射产生了反物质
  反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时,双方就会相互湮灭抵消,发生巨大爆炸,并产生巨大能量。能量释放率要远高于氢弹爆炸。
  日美研究小组曾在加拿大用气球进行观测,捕捉反物质天体释放出的反粒子,寻找反物质天体如反星系存在的证据。该地区受地球磁场和大气影响很小,但为了不让气球飞跑,必须当天回收。而在南极上空,气球可持续飞行两周,观测数据能大幅度增加。目前,人们发现和制造的反物质粒子虽然不多,但正电子作为反物质的一种形式美已经有了许多实际用途,例如,正电子发射X射线层析照相术(PET),医生利用它对人体进行扫描,不仅能得出病人软组织的详细图像,而且能够观察人们体内的化学过程以及在进行认识活动时大脑各部分消耗"燃料"的速度。

捕捉成功

       英国《自然》杂志网站2010年17日发布报告,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家成功制造出多个反氢原子,并利用磁场使其存在了"较长时间"。这是科学家首次成功"抓住"反物质原子。
  存在时间是关键
  早在1995年,欧洲核子研究中心就首次制造出了9个反氢原子。但反氢原子只要与周围环境中的正氢原子相遇就会湮灭,因此实验室中造出来的反氢原子稍纵即逝,科学家们根本无从研究它的真面目。2002年,欧洲核子研究中心的实验进一步表明,反氢原子可以大量制造,但如何让它们存在时间长一点仍是难题。
  因此,这次实验成果的突破就在于,人工制造的38个反氢原子存在了大约0.17秒。这个时间在普通人看来也许仍然非常短,但对于科学家来说,已经比先前有了实质性的延长,足够他们进行较为深入的观察和研究。
  利用磁场作"陷阱"
  欧洲核子研究中心介绍说,这次之所以能够将反氢原子捕获长达0.17秒,要归功于一种特殊的磁场。在实验室中,反氢原子是在真空环境里制造出来的,正常情况下瞬间就会与正物质发生湮灭并消失。而这个强大而复杂的磁场会像陷阱一样"拖延时间",使反氢原子与正物质的接触稍作延缓。
  谈及这种看不见、摸不着的捕捉方式,丹麦奥胡斯大学教授杰夫·杭斯特告诉英国广播公司记者,反氢原子具有"少许磁性","你可以把它们想象成罗盘指针,能够利用磁场探知它们的存在。我们制成一只强有力的'磁瓶',在里面造出反物质"。
  实验显示,利用这种磁场,可以将"牵制"反氢原子的时间延长到十分之一秒的量级,这对于观察研究反氢原子来说已经"足够长"。最终,欧洲核子研究中心在制造出的数以千计的反氢原子中,成功地使其中的38个存在了大约0.17秒。

与通古斯大爆炸

    
  物理学上一个最大的谜团就是,世界为什么是由占据压倒性地位的正常物质构成,而不是反物质。根据物理学定律,这两种在宇宙诞生时出现的物质数量上应该没有任何差异。
反物质
反物质
  反物质的发现,使人们联想上世纪许多不解之谜,其中最为著名的莫过于"通古斯大爆炸"。1908年6月30日凌晨,俄罗斯西伯利亚通古斯地区遭遇从天而降的"火球",大片原始森林顷刻化为灰烬。至于爆炸起因,一些人推断是小行星撞击,一些人猜想是反物质所致"湮灭"。
  深入研究反物质,是解开宇宙起源之谜的重要环节。"我们希望查明,物质与反物质之间是否存在某些我们尚不知道的区别,"杭斯特说,"这种区别或许存在于更基本层面,或许牵连宇宙起源时某些高能量活动。"

未解之谜

       悬疑1:首个发现者或是中国人
  中国的反物质研究所始于上世纪80年代初,由世界著名的核物理学家赵忠尧担任技术顾问,因此西方称他为"中国反物质武器之父"。外界认为,赵忠尧是史上第一个发现反物质的物理学家。这个发现足以使他获得诺贝尔奖。但1936年,诺贝尔物理学奖授予了1932年在云雾室中观测到正电子径迹的安德逊,而不是1930年首先发现了正负电子湮灭的赵忠尧。安德逊也承认,当他的同学赵忠尧的实验结果出来的时候,他正在赵忠尧的隔壁办公室,他的研究是受赵的启发才做的。  
  悬疑2 :反物质天使or魔鬼
  反物质,它能轻松地帮助人类进行星际旅行,或许也能轻易制造出毁灭地球的"超级核弹"。反物质是一种致命武器,威力强大,不可阻挡。一旦将其从欧洲核子研究中心的充电平台上移走,灯光会令人眩目,周围会响起雷鸣般的咆哮声,它们会自动焚毁。有人提出,人类可能有朝一日利用反物质的破坏力去摧毁整个世界。

大事记

    
  1995年欧洲核子研究中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质--反氢原子。1996年,美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子。
  1997年4月,美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现,在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源,它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的"反物质喷泉"。
  1998年6月2日,美国发现号航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空。阿尔法磁谱仪是专门设计用来寻找宇宙中的反物质的仪器。然而这次飞行并没有发现反物质,但采集了大量富有价值的数据。
  2000年9月18日,欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子,这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。
  2010年11月17日,欧洲核子研究中心(CERN)科学家宣布,在最新实验中首次成功捕获反物质,取得了重大的物理学突破。科学家表示他们首次捕获了存在于现实世界的反物质样本。一个由英国和其他国家物理学家组成的科研小组在一项惊人的科学突破中,在实验室中瞬间"捕捉"了38个反氢原子。

影响

  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,主要用于在太空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,不带电的反物质无法以磁场束缚,保存上也是一大问题。

·制造反物质武器

美国宇航局设想的一种反物质动力火箭
美国宇航局设想的一种反物质动力火箭
  反物质是一种致命武器,威力强大,不可阻挡。一旦将其从欧洲核子研究中心的充电平台上移走,灯光会令人眩目,周围会响起雷鸣般的咆哮声,它们会自动焚毁。有人提出,人类可能有朝一日利用反物质的破坏力去摧毁整个世界,这本身就是一种奇异的想法,也是好莱坞科幻大片《天使与魔鬼》的情节主线。在影片中,仅仅含有0.25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去。
  欧洲核子研究中心物理学家兰杜亚表示,我们不要杞人忧天。科学家有充分理由相信上述一幕绝不会在不久的将来上演。兰杜亚说:"如果你将欧洲核子研究中心在过去30多年反物理实验中生成的所有反物质累积起来,如果你无比幸运,你或许会得到一亿分之一克反物质。如果它在你指尖爆炸,除了像点燃一根火柴以外,不会造成其它任何危险。"接受PET的患者血液中具有天然放射性原子,它们释放出数千万个的正电子不会造成任何负面影响。
  即便物理学家可以制造出炸弹所需要的足够多反物质,但费用将会是个天文数字。兰杜亚说:"1克反物质的制造成本可能高达1000亿美元。这可能超出贝拉克·奥巴马在很多领域投资的资金。"牛津大学物理学家克罗斯还提到了时间问题。他说:"我们需要100亿年才能生成去制造丹·布朗(《天使与魔鬼》一书的作者)所说炸弹的足够多反物质。"

·清洁能源

  有人又希望将反物质作为一种清洁、绿色能源进行开发。牛津大学物理学家克罗斯说:"如果大自然在过去150亿年间给我们生成足够多的反物质,也许存在这种可能性。"兰杜亚说,问题是,我们每次只能用它们造成一个反原子,这种办法消耗的能量将远远超过我们从中获得的能量--前者可能是后者的十亿倍。
  然而,这并不表示我们不能以各种新途径利用反物质。2007年,美国加州大学河滨分校两位物理学家戴维·卡西迪(David Cassidy)和艾伦·米尔斯制造出由至少一个电子偶素原子构成的第一个分子。电子偶素原子很快湮灭变成高能伽马射线,所以,如果将大量电子偶素原子结合,也许这能够令其湮灭,同时释放出光线,造出巨大的高能"伽马射线湮没激光器",可被用于对小到原子核这样的物体拍照,或引发核反应堆中的核聚变。