反物質比想象中的多!香蕉上的鉀,平均每天會產生19顆“正電子”

在可觀測的宇宙中,質子、中子、電子是組成物質的3大粒子(再拆解的話還有夸克、輕子,本篇不討論);以帶電性來說,質子帶正電,電子帶負電,而中子不帶電。而相對於物質,另一種叫“反物質”,帶電性和物質完全相反:反質子帶負電,而正電子帶正電。當反物質與物質接觸,兩者就會消失;而消失的質量就會遵守愛因斯坦的質能互換公式E = mc^2化為能量。

反物質比想象中的多!香蕉上的鉀,平均每天會產生19顆“正電子”

在日常生活中,物質佔絕大多數,因此反物質會給人一種神秘、遙遠的感覺。但反物質不是在遙遠宇宙的另一端才有,地球上也經常見,只不過量實在太稀少了,所以我們感覺不到。

其中一個有反物質的東西就是“香蕉”。

一根香蕉平均每天會產生19顆正電子

根據科學家的觀察,一根香蕉平均每75分鐘會產生一顆正電子,一天就會產生19顆正電子,因為香蕉含有微量的鉀40,它們進行β+ 衰變的時候就會釋放出正電子。除了香蕉,其他含有鉀的食物也會有鉀40,因此它們也會產生正電子。

只不過這些正電子出現之後,就會跟其他電子交互作用而“消失”,所以人類無法保存它們。而它們消失之後,損失的質量就會根據E = mc^2轉成能量,這也是核彈爆炸、恆星發光的原理;但香蕉產生的正電子相當稀少,因此產生的能量非常低,我們也不會一直在日常生活中經歷“核爆”。

除了香蕉,醫學上用來檢測癌症的“正子斷層造影”(PET)也是使用反物質的原理。儀器產生正電子,正電子跟人體的物質接觸而消失,產生伽馬射線,醫生就通過這些伽馬射線,審查病患的身體狀況。

地球的磁場也會捕捉宇宙的反物質,科學家曾經在範艾倫帶發現反質子。

科學家在80年前就已經發現反物質

人類史上最先“算出”反物質的科學家是狄拉克。1928年,他在計算量子力學的方程式時發現兩個解,如同x^2 = 4會有2和 -2兩個解,其中一個解就是宇宙常見的“物質”。但狄拉克沒有排除另一個解,保留“反物質”存在的可能性。

1932年,美國物理學家Carl Anderson在雲室裡拍到正電子的照片,證實了反物質的存在。

雖然科學家80年前就發現反物質,它們當地球上也經常見,但數量稀少,而且與物質接觸之後就會消失,直到2010年,科學家才成功捕捉到反物質。

生產反物質超貴,保存反物質更是天價

在瑞士日內瓦,有個專門製造反氫(氫的反物質)的工廠。科學家使用質子同步加速器,把質子加到一定速度後與金屬相撞產生反質子,接著再用磁場過濾出反質子,並將它們減速;最後,讓減速後的反質子與正電子結合,產生反氫。

製造反物質需要大量經費。根據NASA在1999年的估算,製造一克的反物質,需要耗費6.25 x 10^13美元的成本,也就是62.5萬億美元,而臺灣的GDP每年也才17.8萬億。也就是說,製造一克的反物質,需要臺灣超過100年的GDP才辦的到。

製造反物質是極端高價,而存儲反物質更是天價,還要消耗大量的電力。對於帶電的反物質(反質子、正電子),科學家可以用磁場保存它們;對於不帶電的反物質(反氫),科學家則用Ioffe-Pritchard陷阱保存。根據科學家在2015年的計算,存儲1克的反物質需要2.5 x 10^16 KWh的能量,若根據臺灣在2018年的總髮電量273,601 GWh來推算的話,那需要10萬個臺灣同時發電,才可以存儲1克的反物質。

歐洲核子研究組織(CERN)在2018年表示,成功在6K(攝氏零下267度)的真空中,存儲了幾顆反質子1年,並聲稱這些反質子是“宇宙中最長壽的反物質”。

反物質當地球上並不稀有,科學上也可以人工生產,但生產、保存反物質都需要大量的經費和能源。或許一些人會覺得,與其花這些錢研究反物質,還不如把它用在更實際的地方,但將經費投資在基礎科學研究,不僅培養國家戰略實力,還能帶動科技的發展;從精神層面上來看,則讓人類更瞭解宇宙的結構,滿足人類求知慾,也教導人類謙卑,畢竟在宇宙中,人類真的很微小,懂的東西實在是太少了。


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