反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?

反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?

我們的世界是由物質所構成的,但是在宇宙之中不僅有物質,還有反物質。

反物質這個名詞對於很多人來說具有濃重的科幻色彩,但這的確不是一個想象中的事物,而是真實存在的,早在1932年的時候,人類就已經確實發現了反物質的存在。在人類歷史上,最早預言反物質的人是英國的物理學家保羅·狄拉克。

他在1928年的時候寫下了著名的狄拉克方程,狄拉克方程本質上是電子在高速運動下的薛定諤方程,但關鍵在於狄拉克方程有兩個可能的解,一個解表示電子擁有正能量,而另一個解則表示電子擁有負能量,而在經典物理學中,能量不可能為負值,所以對於狄拉克方程只能夠做出這樣的一個解釋,那就是每一種粒子都有與之對應的一個反粒子,而反粒子擁有負能量。

反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?


反物質最早出現於狄拉克方程之中,當時的反物質還不過是一種理論預測,但僅僅在4年以後,1932年,人們就在宇宙射線中發現了正電子,同時也證明了反物質的真實存在。

我們通常所說的電子,都是帶負電荷的,所以也可以稱之為負電子,而正電子恰恰與電子相反,它帶有正電荷。現在反物質到底是什麼已經越來越清晰了,反物質其實就是與物質相對的,反物質與其相對的物質的物理性質是相同的,不同的只是量子數,以電子為例,就是電荷相反。既然宇宙中存在著與電子相對應的反物質正電子,那麼是否所有的物質都存在著與之對應的反物質呢?事實證明的確如此,在二十多年後的1954年,人們發現了反質子,而1956年又發現了反中子,至此,反物質的確存在已經是無可置疑的事情了。

反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?


人類要研究反物質,只依靠發​現是不夠的,人類需要自己去製造反物質。

怎麼製造反物質呢?理論上很簡單,質量與能量是可以相互轉化的,比如讓原子核的質量發生虧損,則會釋放巨大的能量,這就是核裂變。如果反過來,讓你能量轉化為質量,那麼也就獲得了反物質。為了實現這一點,我們可以將粒子加速成為高能粒子,而高能粒子的碰撞就會產生正反物質對,位於北京的正負電子對撞機BEPC就可以實現這一點。

製造反物質很難,但是相比較製造而言,保存反物質才是最難的事情。因為正反物質相遇會發生湮滅,而湮滅會釋放巨大的能量。這股能量有多巨大呢?假設我們現在有1克反物質,不小心和物質發生接觸,於是發生了湮滅。讓我們來計算一下。

反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?


1克反物質加1克物質,總質量為2克,2乘以光速的平方就等於180萬億焦耳,這就是根據質能方程計算得出的數據,1克反物質與物質發生湮滅就能夠釋放180萬億焦耳的能量。

什麼概念呢?一塊牛排的能量約為400萬焦耳,也就是4500萬塊牛排,一個人吃可以吃好幾萬年。反物質只要與物質相遇就會湮滅並釋放巨大能量,所以在保存反物質的時候不能讓它與物質發生接觸,只能保存在真空之中,而利用磁場進行約束,目前保存反物質的電磁約束裝置被稱之為潘寧阱,因為反物質具有微弱的磁距,所以採用磁場就可以將反物質約束在一定的空間之內,避免其與物質發生碰撞。那麼,人類為什麼要費盡心機發現、製造、保存並研究反物質呢?

反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?


人類之所以要研究反物質,就是為了證明宇宙存在的合理性。

理論上物質與反物質都誕生於宇宙初期,而隨著宇宙慢慢冷卻,不會再產生新的正反物質對,所以宇宙中最終留存下來的正反物質應該是相等的,並最終發生湮滅。而實際上不是這樣的,我們的世界中物質顯然多於反物質,所以我們的世界才是由物質所構成的,它才能夠存在。

​可為什麼物質與反物質總量不相等呢?為什麼多出來的是物質,而不是反物質呢?我們的世界為什麼由物質構成,而不是由反物質構成呢?這就是正反物質不對稱所蘊含的謎題,又被稱之為宇稱不守恆。人類只有最終證明了正反物質的對稱並不是嚴格的,才能夠最終證明宇宙存在的合理性。


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