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关于反物质,是神马东东?(转载)  

2011-12-15 14:16:36|  分类: 生活百科 |  标签: |举报 |字号 订阅

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原文转载自果壳网 guokr.com - 果壳网

这些天,反物质突然又一次被热议,源于NewScientist十一月十七日发表的一篇题为《反氢终于被捕获(Antihydrogen trapped at long last)》的文章 [1] ,这篇文章介绍了CERN捕获反物质原子的Antihydrogen Laser Physics Apparatus(ALPHA)试验:他们在355次试验中,混合了总计一千万个反质子和七亿个正电子,最终成功捕获了38个反氢原子,虽然捕获时间只有看似很短的0.17秒,但这这对于粒子物理来说,已经是了不起的突破。实验的学术论文发表在12月2日的Nature杂志上 [2] 。基本实验原理还可以参考ALPHA主页上的视频 [3] 。其实这并不是第一次合成反物质。早在1995年,CERN的科学家们就成功地合成了9个反氢原子 [4] ,虽然每个只存在了4×10 -8 秒。

反物质在哪里

就像氢原子是由质子和电子组成一样,反氢原子是也由相应的反粒子组成的,人类对反物质的研究始于对这些反粒子的研究:1928年,Paul Dirac从以他名字命名的相对论性量子力学方程中,首先发现自然界允许反物质的存在;1932年,Carl D. Anderson从宇宙射线里发现了“反电子(但由于带正电,所以从一开始就被叫做正电子)”;而在1955年,加州大学伯克利分校的的Emilio Segrè和Owen Chamberlain实验确认了反质子的存在。

在我们的世界里,反物质无法稳定地存在,它们即使出现也是稍纵即逝,我们只能在某些放射衰变的过程中或者宇宙射线里观察到反粒子。至于在广袤的宇宙中是否存在反物质构成的星体、星系甚至反宇宙,至今在理论界还存在广泛的争论:主流的观点是我们宇宙是由物质组成的,但这带来了正反物质不对称性的巨大问题。而且如果遥远的地方存在由反物质构成的星体,它们与普通物质交界处必然会有大量湮灭产生的高能辐射,而目前还没有观测到这样的现象。

反粒子和其对应的正常粒子的质量相同,在其他大部分量子数性质上二者完全相反,例如电荷、重子数、轻子数和奇异数等等。

反物质可以做成武器吗

反粒子与粒子一旦相遇就会相互吸引、碰撞并产生湮灭现象,即两个粒子消失,产生高能光子——这意味着粒子的质量完全消失并转变成为了能量。这个由物质产生能量的过程效率几乎为100%,比核裂变核聚变神马的要高效多了。

湮灭过程产生的能量我们可以用爱因斯坦童鞋的著名公式E=mc 2 来计算,例如说500克反物质湮灭直接导致1千克的质量凭空蒸发,留下8.99×10 16 焦耳的能量。

8.99×10 16 焦耳的能量是多可怕的一个数字?用作武器的话它相当于2140万吨TNT爆炸产生的能量。相对于中小型氢弹而言,500克反物质的威力绝对有过之而无不及,只是和苏联试爆的5000万吨当量氢弹“Ivan” [5] (原设计装弹量一亿吨当量,因找不到合适的投放地点被迫减半)相比,还是有些差距。

除了作为武器,CERN的物理学家Alvaro de Rújula提到:如果你能有一克反物质作为汽车燃料的话,那你可以开上十万年 [6] 。而如此高效率,不用作宇宙飞船推进剂实在是可惜了。

但是目前,反物质武器和反物质飞船似乎只能存在于科幻小说里。且不说反物质的保存有多么困难,由于地球上没有传说中的“反物质矿”,除了放射性衰变以外,“大规模生产”反物质只能靠高能碰撞,而这个生产效率十分低下:CERN每年制造出来的反质子只能供点亮100w灯泡3秒钟的能量 [7] ,而这次辛辛苦苦合成的38个原子只有可怜的6.31×10 -23 克。

虽然在高能领域反物质目前还无法发挥作用,但是反物质的应用离我们真的不远。早在上个世纪五十年代,正电子就被成功地被应用于医疗成像领域:正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography,PET)技术 [8] 正是利用正负电子湮灭产生高能光子的特性,扫描患者体内发生正电子β衰变的示踪性同位素F 18 ,从而完成对患处内部构造的重构成像的。如今,PET已然是一门成熟的、商业化的医疗技术,在临床医学影像和肿瘤学研究方面发挥着重要的作用。


鸣谢专家:李剑龙

[1] Antihydrogen Trapped at Long Last, NewScientist Report
[2] Trapped Antihydrogen, Nature paper
[3] Work Video, ALPHA, CERN
[4] Antihydrogen 1995, Manuscript for the paper on Scientific Commons
[5] The King of Bombs – IVAN, DamnInteresting
[6] Antimatter: Q&A, CERN Press
[7] Antimatter: Mirror of the Universe, CERN Press
[8] PET, Wiki
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