科學新知/反物質:這七件事你肯定不知道

反物質:這七件事你肯定不知道。

1、人類創造的反物質數量極少

物質與反物質湮滅,能夠釋放數量驚人的能量,比如,1克反物質產生的能量,可以與原子彈爆炸的威力相媲美,因而它是有著巨大潛力的新能源。然而,迄今為止,人類只創造出了極少量的反物質。

根據大科技雜誌報導,比如,在美國最大的高能物理研究實驗室——費米實驗室,這裡擁有目前世界上能量輸出最高的粒子加速器,也就是著名的Tevatron質子/反質子加速器,它能將質子加速到接近光速。迄今為止,這個加速器創造出的所有反質子加起來只有不到15毫微克(1毫微克=10-9克)。

而世界上最大的粒子物理研究中心——歐洲粒子物理研究所創造出的所有反物質只有1毫微克。在德國漢堡的德國電子同步加速器,至今大約只有2毫微克的正電子被生產出來……。如果人類歷史上所有生產出來的反物質全部湮滅,產生的能量甚至不足以煮開一杯茶水。

究其原因,問題主要是出在反物質的生產和存儲的成本,還有生產的效率上。生產1克反物質將需要2500萬億千瓦時的能量和超過1千萬億美元的成本。由此我們不難想像,人造反物質到底會有多麼珍稀。

2、有種東西叫做反物質陷阱

為了研究反物質,首先你需要很好地儲存它,防止它湮滅。現在科學家們已經發明瞭存儲它的方法。帶電的反物質粒子,比如正電子或者反質子,它們全都可以被一種叫做『彭寧陷阱』的裝置存儲起來。

彭寧陷阱猶如一種微型的粒子加速器,在其內部,反物質粒子沿環形管道不停地做旋轉運動,同時磁場和電場將它們囚禁在真空中,使之免於碰到裝置的『牆壁』而湮滅。

但是,彭寧陷阱無法囚禁中性反物質粒子,比如反氫原子,因為反氫原子沒有電荷,無法被電場限制起來,因此彭寧陷阱無法發揮作用。

不過科學家們找到了另外一種陷阱——『約費陷阱』,它可以創造一種沿任意方向磁場都會增大的空間。粒子會被困在約費陷阱中磁場最弱的那一點,就好像珠子只能在碗的底部滾來滾去一樣。

地球的磁場同樣也可以充當一種反物質陷阱。科學家們已經在地球周圍的空間探測到了一種反物質——反質子粒子構成的狹長條帶,它被夾在地球的範艾倫輻射帶兩個層面之間。範艾倫輻射帶是環繞地球的高能粒子輻射帶。

當高能宇宙射線擊碎了地球上層大氣中的分子時,會形成大量的自由粒子,這些自由粒子和擊碎它們的宇宙射線粒子一道,最後都會被範艾倫輻射帶俘獲,形成像甜甜圈一般的輻射區。

科學家們透過衛星發現,在所謂的『南大西洋輻射異常區』(位於南美洲東側南大西洋,這裡的輻射強度只有正常輻射區的一半)的上空,衛星能夠探測到濃度很高的反質子粒子聚集區。

這些反質子粒子像宇宙射線粒子一樣被困在了地球磁場中,在距離地面一定高度的高空,空氣密度已經非常稀薄,那裡的反物質粒子與正常粒子湮滅的損失會比較小,從而可以在範艾倫輻射帶中出現一個反物質帶。

反物質:這七件事你肯定不知道

3、反物質可能會往上『掉』

反物質粒子和物質粒子擁有相同的質量和截然相反的電荷自旋屬性。按照標準模型的預言,重力對於物質和反物質的影回應該是相同的,然而,實際情況是否如此還有待觀察。一些科學家就提出了不同的觀點:反物質可能會抵制引力,換句話說,它們可能會往上『落』。

觀察重力對反物質的影響並不像看到一顆蘋果從樹上落下那般容易。這些實驗需要把反物質控制在陷阱中,還要透過降溫(溫度降至略高於絕對零度)來使反物質的速度慢下來。

由於重力是最微弱的基本力,在實驗中物理學家們必須使用中性的反物質粒子,以防止更強大的電場力的干擾。所以,要弄清楚一顆『反物質蘋果』會落下來還是『掉』上去,科學家們還有很長的一段路要走。

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4、研究反物質需要粒子減速器

你聽說過粒子加速器,但是你可能並不知道還有粒子減速器。歐洲粒子物理研究所耗資1000多萬美元專門建造了被稱為反質子減速器的裝置,它是一個環形存儲盒,周長188公尺。

在諸如大型強子對撞機那樣的環形粒子加速器中,粒子每旋轉一周就會獲得能量。反質子減速器則相反,反質子越轉越慢,減速器可以利用磁場將高能反質子減速成速度約為光速十分之一的反質子。

科學家們希望利用減速器產生的反質子進行實驗,比如用磁場對反質子進行約束,或將反質子與正電子結合成為反氫原子。原子是由帶負電的電子和帶正電的原子核組成的,如果由帶正電的電子與帶負電的原子核組成原子,那麼就是反原子,由反原子就可組成反物質。

科學家們認為,宇宙誕生時產生了大體相等的物質和反物質,那麼現在這些反物質到哪裡去了?一種說法是,在宇宙的某些地方存在著由反物質組成的星系。還有一種說法是,宇宙誕生時產生的物質比反物質多了一點,物質與反物質相互湮滅後,剩下的物質就構成了現在的宇宙。

為瞭解開反物質之謎,科學家們需要在實驗室中制造反物質,進而才能研究反物質。

目前在實驗室中製造正電子、負質子等反基本粒子已經不難,而將正電子與負質子組成反原子卻十分困難,因為將這兩種粒子結合在一起並且能證實它們結合成反原子的工作十分複雜,而這種工作,只能依靠反質子減速器才能完成。

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5、中微子可能是它們自身的反物質粒子

帶有相反電荷的物質粒子和它的反物質夥伴常常是很容易區分的,但是中微子卻有些特別。作為宇宙中大量存在的粒子之一,每秒鐘有幾十億顆中微子以接近光速的速度經過每一寸人體。然而,由於這些幾乎沒有質量的神秘粒子既不帶電荷、又不怎麼與其他物質相互作用,因此監測到它們異常困難。

20世紀30年代,義大利物理學家埃托雷•馬約拉納提出中微子可能是自己的反物質粒子。如果這個理論是正確的,那麼科學家可能能夠看到超級罕見的事件,也就是中微子雙β衰變,它指的是放射性的原子核衰變,釋放出兩個電子和兩個中微子,由於中微子可能是自己的反物質粒子,它們會相互碰撞並相互湮滅,科學家們將只會觀察到電子。

如果能夠證實馬約拉納的預言,這對於解釋對稱性破缺是有幫助的。科學家們假設中微子原有輕、重兩種。現今我們探測到中微子都是輕的那一種,而重的那一些在大爆炸之後很快就沒有了。如果能夠解釋重的中微子消失的原因,那也許就能夠解開物質存在之謎了。

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6、反物質已經有所應用

反物質雖然難以獲得、難以存儲,但實際上,反物質已經在某些領域得到應用了。比如,正電子發射斷層顯像術(PET)正是使用正電子產生人體高解析度的圖像。一些人體中新陳代謝必需的物質,比如葡萄糖、蛋白質、核酸、脂肪酸,它們可以標記上能夠釋放正電子的放射性同位素(比如香蕉中的鉀-40),注入人體。

在人體內的不同組織中,放射性元素釋放的正電子和電子湮滅,可以產生用於構造圖像的伽馬射線。一些容易患病的高代謝的惡性腫瘤組織中,葡萄糖代謝旺盛,因此正電子聚集會較多,這些組織的特點就能夠更詳盡地透過圖像反映出來。

歐洲粒子物理研究所的科學家們也正在將反物質視作治療癌症的潛在手段,他們已經進行了多次反質子治療癌細胞實驗。這裡擁有世界上唯一一個反質子減速裝置,有了這個裝置才能產生低能高品質的反質子束。

由於物質和反物質粒子碰到一起的時候,它們就會湮滅,釋放能量。反質子癌細胞治療實驗就可以利用這一性質,使入射的反質子和腫瘤細胞中原子內的一部分質子發生湮滅,而湮滅後釋放出來的能量產生的新粒子可以接著破壞鄰近的腫瘤細胞。

的質子束治療通常使用質子來摧毀病人體內的腫瘤細胞。科學家曾經比較了治療癌症的實驗。在實驗中,科學家們分別用質子束和反質子束打擊倉鼠細胞,結果顯示,殺死同樣多的癌細胞,反質子所需要的量只是質子的四分之一,這樣就顯著減少了粒子束經過正常細胞的量。

由於反質子在殺死目標區域的癌細胞的同時較少影響健康組織,這種粒子束將在治療複發癌症方面具有很高的價值。科學家們希望下一步能檢驗人類的臨床效果,不過這預計將會是10年之後的事情了。

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7、人們已經在研究如何用反物質發動太空船

少量的反物質就能夠產生相當大的能量,這使得反物質成為未來最受歡迎的燃料。在理論上,用反物質作為燃料來推進火箭是可行的,主要的問題在於如何才能收集起足夠量的反物質。

目前還沒有技術能夠量產反物質並使之發揮作用,然而,少數科學家已經開始進行反物質發動機的模擬研究了。

比如,美國肯特州立大學的科學家們對反物質火箭可以達到的性能進行了計算。他們用電腦軟體模擬粒子在大型強子對撞機中的行為特點,在對撞機內部,一束質子流和一束反質子流迎頭相撞,就會產生巨大的能量。如果以此為基礎可以設計一種引擎設備,那麼以這種反物質作燃料的飛船的飛行速度將是非常驚人的。

科學家們計算的結果顯示,一艘採用正、反物質湮滅反應驅動的超級飛船,其在太空航行的速度可以達到光速的70%。如果乘坐這樣一艘飛船,從地球出發前往距離最近的一顆恆星比鄰星(即半人馬座α,距離地球4.2光年)只需要6年時間。

如果有一天,我們能夠解決反物質的供應問題,屆時星際旅行將不再是夢。

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