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反物質,是反粒子概念的延伸,反物質是由反粒子構成的,如同普通物質是由普通粒子所構成的。例如一顆反質子和一顆反電子(正電子)能形成一個反氫原子,如同電子和質子形成一般物質的氫原子。此外,物質與反物質的結合,會如同粒子與反粒子結合一般,導致兩者湮滅,且因而釋放出高能光子或是其他能量較低的正反粒子對。正反物質湮滅所造成的粒子,賦予的動能等同於原始正反物質對的動能,加上原物質靜止質量與生成粒子靜質量的差,後者通常佔大部分。2010年11月17日,歐洲核子研究中心(CERN)科學家,在實驗中首次成功捕獲反物質。

1 反物質 - 概述

1997年4月,美國天文學家宣布他們在宇宙中發現一個高達2940光年的「反物質噴泉」。1997年4月,美國天文學家宣布他們在宇宙中發現一個高達2940光年的「反物質噴泉」。

反物質就是由反粒子組成的物質。所有的粒子都有反粒子,這些反粒子的特點是其質量、壽命、自旋、同位旋與相應的粒子相同,但電荷、重子數、輕子數、奇異數等量子數與之相反。反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子。由反原子構成的物質就是反物質。

反物質正是一般物質的對立面,而一般物質就是構成宇宙的主要部分。例如,氫原子由一個帶負電的電子和一個帶正電的質子構成,反氫原子則與它正好相反,由一個帶正電的正電子和一個帶負電的反質子構成。物質和反物質相遇後會湮滅,釋放出大量能量。反物質無法在自然界找到,除非是在稍縱即逝的少量存在(例如因放射衰變或宇宙射線等現象)。這是由於反物質若非存在於像物理實驗室的人工環境下,則無可避免地隨即與自然界的物質發生碰觸並湮滅。反粒子和一些穩定的反物質(例如反氫)可以人工製造出極少量,但卻不足以達到可對這些物質驗證其理論性的程度。

科學家認為,宇宙誕生之初曾經產生了等量的物質與反物質。後來,由於某種原因,大部分反物質轉化為物質。再加上有的反物質難於被觀測,所以,在人們看來當今世界主要是由物質組成。一些科學家提出,宇宙中存在由反物質構成的反星系,反星系周圍存在微小的黑洞群。在衰亡時會放出低能反質子和反氦原子核。因此,觀測宇宙射線中的反質子和反氦原子核,可以為反物質天體的存在提供證據。

反物質正反粒子-內部結構模型圖

歐洲航天局的伽馬射線天文觀測台,證實了宇宙間反物質的存在。他們對宇宙中央的一個區域進行了認真的觀測分析。發現這個區域聚集著大量的反物質。此外,伽馬射線天文觀測台還證明,這些反物質來源很多,它不是聚集在某個確定的點周圍,而是廣佈於宇宙空間。

2 反物質 -研究歷史

反物質正『反』粒子-疊加圖

反物質概念是英國物理學家保羅·狄拉克最早提出的。他在20世紀30年代預言,每一種離子鍍應該有一個與之相對的反粒子,例如反電子,其質量與電子完全相同,而攜帶的電荷正好相反。

1927年12月,英國物理學家保羅·狄拉克提出了電子的相對論方程式,即狄拉克方程。有趣的是,等式中發現除了一般正能量之外的負能量結果。這顯示出一個問題,當電子趨向於朝著最低可能的能階躍遷時;負無限大的能量是毫無意義的。但為了要彌補這條件,狄拉克提出真空狀態中是充滿了負能量電子的「海」,稱作狄拉克之海。任何真實的電子因此會填補這些海中具有正能量的部分。衍伸這個想法,狄拉克發現海中的這些「洞」則具有正電荷。起初他認為這是質子,但Hermann Weyl指出這些洞應該是具有和電子相同的質量。

1932年美國物理學家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在。在此期間,反物質有時也常被稱作「反地物質」。反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子。

中國的反物質研究所始於20世紀80年代初,由世界著名的核物理學家趙忠堯擔任技術顧問,因此西方稱他為「中國反物質武器之父」。外界認為,趙忠堯是史上第一個發現反物質的物理學家。 

3 反物質 -性質

反物質反中子圖

反物質和物質一旦相遇,就相互吸引、碰撞而100%轉化為光並釋放出的巨大的能量,這個過程叫做湮滅。湮滅過程會釋放出正、反物質中蘊涵的所有靜質量能,根據愛因斯坦著名的質能關係式──E=mc²,一種在科學界受到普遍認同的理論認為,宇宙大爆炸早期曾產生了數量相當的物質和反物質,隨後發生的物質和反物質的湮滅消耗掉了絕大部分的正、反物質,遺留下的少部分正物質構成了現如今的物質世界。

理論上宇宙大爆炸時所產生的粒子與反粒子應該數量相同,但是為什麼現今所遺留下來的絕大多數都是正粒子,這即所謂的「正反物質對稱性破壞」(對稱破缺),雖然在幾個粒子對撞試驗中,都發現了正粒子與反粒子的衰變略有不同,及所謂的電荷宇稱不守恆(CP破壞),但在數量上仍不足以解釋為何現今反物質消失的問題,這在粒子物理學上仍是一大未解決的問題。儘管在人們已經在實驗室中製造出了為數眾多的反原子,然而目前在自然界中尚沒有發現反物質。一種觀點認為即使自然界中存在反物質,它也很快會和正物質發生湮滅。

4 反物質 -湮滅能量

1999年7月24日的太陽環狀噴射產生了反物質1999年7月24日的太陽環狀噴射產生了反物質

反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生巨大爆炸,併產生巨大能量。能量釋放率要遠高於氫彈爆炸。據說它是百分百的爆炸率釋放能量[核彈的爆炸釋放能量為百分之十五]。

日美研究小組曾在加拿大用氣球進行觀測,捕捉反物質天體釋放出的反粒子,尋找反物質天體如反星系存在的證據。該地區受地球磁場和大氣影響很小,但為了不讓氣球飛跑,必須當天回收。而在南極上空,氣球可持續飛行兩周,觀測數據能大幅度增加。人們發現和製造的反物質粒子雖然不多,但正電子作為反物質的一種形式美已經有了許多實際用途,例如,正電子發射X射線層析照相術(PET),醫生利用它對人體進行掃描,不僅能得出病人軟組織的詳細圖像,而且能夠觀察人們體內的化學過程以及在進行認識活動時大腦各部分消耗「燃料」的速度。

5 反物質 -大事記

反物質反物質發動機概念圖

1995年歐洲核子研究中心的科學家在實驗室中製造出了世界上第一批反物質——反氫原子。1996年,美國的費米國立加速器實驗室成功製造出7個反氫原子。

1997年4月,美國天文學家宣布他們利用伽馬射線探測衛星發現,在銀河繫上方約3500光年處有一個不斷噴射反物質的反物質源,它噴射出的反物質形成了一個高達2940光年的「反物質噴泉」。

1998年6月2日,美國發現號太空梭攜帶阿爾法磁譜儀發射升空。阿爾法磁譜儀是專門設計用來尋找宇宙中的反物質的儀器。然而這次飛行並沒有發現反物質,但採集了大量富有價值的數據。

2000年9月18日,歐洲核子研究中心宣布他們已經成功製造出約5萬個低能狀態的反氫原子,這是人類首次在實驗室條件下製造出大批量的反物質。 

2010年11月17日,歐洲核子研究中心(CERN)科學家宣布,在最新實驗中首次成功捕獲反物質,取得了重大的物理學突破。科學家表示他們首次捕獲了存在於現實世界的反物質樣本。一個由英國和其他國家物理學家組成的科研小組在一項驚人的科學突破中,在實驗室中瞬間「捕捉」了38個反氫原子。

反物質美科學家觀察到迄今最重反物質反氦-4

2011年3月23日(北京時間)美國物理學家組織網報道,美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機國際合作組的科學家,首次觀察到了新型反物質反氦-4,這是迄今科學家觀察到的最重反物質。高能對撞能形成夸克膠子等離子體,這種熾熱、稠密的物質包含數量大致相當的夸克和反夸克粒子。夸克膠子等離子體逐漸冷卻後會變成一種強子氣體併產生質子、中子和它們的反粒子。科學家們在金核相互對撞10億次后形成的強子氣體中共觀察到了18個反氦-4,證明反氦-4確實存在,其包含4個反物質粒子:2個反質子和2個反中子。 科學家指出,反氦-4很可能是迄今觀察到的最重的反物質,並預測下一個可能會「現身」的更重反物質將是反鋰-6。

2011年6月7日,歐洲核子研究組織的科學家成功長時間儲存反物質,儲存時間達到創紀錄的16分鐘。

2011年12月中旬,美國國家航空航天局(NASA)的費米伽馬射線天文望遠鏡以數據證實了宇宙存在著過量的反物質。本次結果是在 2008年PAMELA(反物質探測和輕核天體物理載荷)衛星捕捉的一次非同尋常的反物質信號的基礎上完成的。天文學家評價稱,其不啻為一項物理學領域的重要發現,亦是天文觀測的一大壯舉。同時,因該結果背後的研究原理,亦有極大可能確認了此信號對於暗物質的意義,並將作為一個罕見的暗物質標誌,進一步揭示暗物質的本質。

6 反物質 -應用

反物質美國宇航局設想的一種反物質動力火箭

因為物質與反物質的湮滅時質量可完全轉換成能量,帶來最大的能源效率,且單位產量是核能的千百倍或常規燃料的億兆倍,所以一直有人研究其作為新能源的可行性,主要用於在太空很難補給燃料的航天用,甚至作為反物質武器。

製造反物質武器

反物質是一種致命武器,威力強大,不可阻擋。有人提出,人類可能有朝一日利用反物質的破壞力去摧毀整個世界。 

清潔能源

有人又希望將反物質作為一種清潔、綠色能源進行開發。2007年,美國加州大學河濱分校兩位物理學家戴維·卡西迪(David Cassidy)和艾倫·米爾斯製造出由至少一個電子偶素原子構成的第一個分子。電子偶素原子很快湮滅變成高能伽馬射線,所以,如果將大量電子偶素原子結合,也許這能夠令其湮滅,同時釋放出光線,造出巨大的高能「伽馬射線湮沒激光器」,可被用於對小到原子核這樣的物體拍照,或引發核反應堆中的核聚變。

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