觸摸「反物質世界」的大門，只需要你手中的香蕉

2023-04-02 02:22:36 1

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:科普中國

產:崔爾良(西北農林大學)

產:計算機網絡信息中心

最近，歐洲核子研究中心(CERN)的ALPHA合作報告了氫原子的反物質對應物，即反氫原子能級結構中的特定量子效應——精細結構和蘭姆位移長期以來，科學家們從理論上假設反物質的量子效應與物質是一致的，根據物質的性質對應反物質。測量結果表明，反物質原子的具體量子效應與「普通」物質原子的理論預測一致，為進一步精確測量反物質的具體量子效應和其他基本性質奠定了基礎。這種研究有助於揭示物質和反物質之間的區別，研究結果發表在最新的《自然》雜誌上。圖片:

阿爾法實驗自然篇什麼是反物質？——科學而不是科幻小說

對許多人來說，反物質在科幻小說中聽起來幾乎不真實，也是最危險的存在在丹·布朗的懸疑驚悚片《天使與魔鬼》中，光明會從歐洲粒子物理研究所的地下實驗室偷走了大量反物質，製造出反物質毀滅炸彈，埋在梵蒂岡，企圖在教皇選舉日摧毀天主教中心。這部小說後來被改編成同名電影，由湯姆·漢克斯主演。對於中國讀者來說，丹·布朗的另一部小說《達文西密碼》更為著名。

什麼是反物質？

物理學將反物質定義為:反物質是物質的對應物。反物質和反物質的物理性質是相似的，但是所有的量子數都是相反的，比如電荷量讓我們從最簡單的電子開始電子帶負電荷，所以對應於電子的反物質「反電子」或「正電子」帶正電荷正電子和電子質量相同，但電荷相反。

早在1928年，英國物理學家保羅·狄拉克就將量子理論與狹義相對論相結合，寫出了電子在高速運動中的薛丁格方程，即狄拉克方程，狄拉克因此獲得了1933年的諾貝爾物理學獎。正如方程x2=4有兩個根(x=2或x=-2)，狄拉克方程有兩個可能的解。一種解決方案表明電子具有正能量，這被稱為正能量解決方案，另一種解決方案表明電子具有負能量，這被稱為負能量解決方案

但是經典物理學和常識告訴我們，粒子的能量總是正的，不能是負的狄拉克創造性地將負能量解理解為反粒子的能量。他認為每個粒子都有相應的反粒子。這兩種粒子性質相同，只是電荷不同。例如，對應於電子的反粒子是正電子，這打開了一個全新的「物質世界」——反物質世界

1932年，卡爾·安德森在研究宇宙射線時發現了正電子，從而證實了狄拉克的大膽預測

的發現啟發了人們:每個粒子都有性質相同但電荷相反的反粒子嗎？(事實上，不帶電荷的粒子也有反粒子，它們的反粒子也不帶電荷。例如，光子的反粒子本身就是

科學家開始用各種方法發現反物質科學家試圖在宇宙射線中找到反質子，但沒有找到。1954年，美國加州伯克利開始運行高能質子同步加速器。第二年，貝瓦龍合作小組首次發現了反質子。這篇文章發表在當年11月1日的《物理評論快報》上。這是第一次觀察到帶負電荷的反質子。1956年，貝瓦特倫團隊發現了反中子。

反物質不僅存在，而且可以「製造」。事實上，目前物理學家已經能夠「製造」大量反物質用於實驗研究。

歐洲粒子物理研究所的反質子減速器(AD)是一種利用最初的高速反質子減速來研究反質子或反原子性質的儀器。

阿爾法實驗(圖片:歐洲粒子物理研究所新聞)在歐洲粒子物理研究所反質子減速器大廳

「製造」反物質並不容易，但也不是不可能

首先，我們需要理解愛因斯坦著名的質能方程E=mc2這個方程告訴我們，質量和能量是等價的，可以通過某種方式轉化為能量或能量轉化為質量。我相信大家對質量轉化為能量的例子並不陌生——核裂變和核聚變——核質量的損失被轉化為巨大的能量並釋放出來，這給我們人類帶來了永久解決能源問題的曙光。

要獲得反物質，即產生一定質量的粒子，理論上只需要將一定量的能量轉化為質量你想要獲得的反物質粒子的質量越大，你需要消耗的能量就越多。例如，質子的質量大約是電子的2000倍，產生反質子所需的能量至少是正電子的2000倍。

如果你只想得到輕的反物質，比如正電子-正電子對，高能光子就足夠了高能光子可以是一種特殊的電離輻射——伽馬輻射一些核衰變會產生伽馬射線當然，有核衰變可以直接產生正電子，這是一種β輻射，大多數β輻射產生電子，只有少數直接產生正電子

科學家通過高能加速器加速粒子獲得高能，高能粒子碰撞後釋放的能量將產生正負物質對我們熟悉粒子加速器，如北京正負電子對撞機的BEPC，歐洲核中心的LHC，日本高能物理研究所的高亮度正負電子對撞機B廠，斯坦福直線加速器的SLC等。

事實上，生命中的一些元素可以通過衰變直接產生反物質例如，鉀，一種我們生活中常見的水果，富含香蕉，可以腐爛產生正電子。

天然鉀元素大部分為39K，含有少量39K同位素40K。40K是放射性的，可以通過發射電子變成鈣40Ca，或者通過發射正電子變成氬40Ar。然而，你可以充滿信心和勇氣地吃香蕉，你不必擔心輻射或正電子會使你湮滅，因為天然鉀中放射性同位素40K的含量太低了。畢竟，當你離開劑量時，毒性就是「流氓行為」。

事實上，一種具有很高解析度的醫學成像設備，被稱為正電子發射斷層掃描(PET/CT)，已被廣泛用於醫學檢查正電子發射斷層掃描儀由正電子發射斷層掃描儀和正電子發射斷層掃描儀組成。正電子發射成像是將發射正電子的核素引入人體，人體內發射正電子的正電子和電子經歷正電子湮沒，並轉化為高能光子進行外部成像。PET/CT最終分別給出PET圖像、CT圖像和組合圖像，這對準確確定病變和病變的變化非常重要。

獲得反物質非常困難，保存反物質就更難了

如果反物質存在於我們周圍——不僅是香蕉產生的正電子，還有宇宙射線中的正電子，不要忘記第一個發現的反物質粒子是宇宙射線中的正電子——那麼就會出現一個棘手的問題:反物質確實存在於宇宙中，為什麼不容易看到它？

屬於物質世界。一旦反物質粒子產生並遇到相應的物質粒子，它們就會被消滅。湮滅的正負材料對將發射高能雙光子發射。

正負物質湮滅產生的雙光子能量有多高？

讓我們以0.5克反物質和0.5克物質為例只需要簡單地乘以質能方程就可以知道:E=mc2，其中質量m是正負物質總質量的1克，c是真空中光速約300，000公裡/秒，0.5克反物質和0.5克物質碰撞湮滅後將產生90，000，000，000 (90萬億)焦耳的能量。能量

的概念是什麼？吃一根普通的香腸(約75克)可以為身體提供300千卡熱量，約120萬焦耳。如果0.5克反物質湮滅產生的能量轉化為提供熱量的香腸數量，你需要大約7200萬根香腸如果

被轉換成美國實戰中使用的「胖子」原子彈，那是什麼？「胖子」原子彈爆炸產生的能量是20，000噸梯恩梯當量，一克梯恩梯爆炸釋放的能量是4，181焦耳，所以很容易獲得0.5克反物質湮滅釋放的能量超過1，000枚「胖子」原子彈產生的能量！

這就是為什麼《天使與魔鬼》中的光明會從歐洲核子研究中心實驗室偷走反物質來製造反物質毀滅炸彈，企圖摧毀梵蒂岡但是電影沒有告訴你光明會用什麼容器來裝反物質。

，但幸運的是，從技術上來說，製造和儲存0.5克反物質幾乎是不可能的。這類似於一個經典難題:一位科學家發明了一種能溶解一切的藥劑。這藥應該放在哪裡？自然產生的反物質或人工製造的反物質一旦遇到物質粒子就會被消滅。我們把反物質放在哪裡？

是困難的，但理論上它仍然是保存反物質的方法。你不能把反物質儲存在一個普通的盒子裡，因為反物質會立即湮滅和消失。為了避免反物質和物質之間的直接接觸，反物質必須被置於真空環境中，並且真空需要被密封。密封的容器必須由物質製成。你還需要避免反物質運動和容器壁之間的碰撞接觸。這時，你需要一個強電磁場來將反物質限制在某個空間。科學家使用一種叫做潘寧陷阱的電磁約束裝置來保存反物質潘寧陷阱結構和陷阱中離子運動軌跡示意圖(圖片:中國知網)