【科普】

【轉(zhuǎn)載】反物質(zhì)
在粒子物理學(xué)里，反物質(zhì)是反粒子概念的延伸，反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的，如同普通物質(zhì)是由普通粒子所構(gòu)成的。例如一顆反質(zhì)子和一顆反電子〈正電子〉能形成一個(gè)反氫原子，如同電子和質(zhì)子形成一般物質(zhì)的氫原子。此外，物質(zhì)與反物質(zhì)的結(jié)合，會(huì)如同粒子與反粒子結(jié)合一般，導(dǎo)致兩者湮滅，且因而釋放出高能光子（伽瑪射線）或是其他能量較低的正反粒子對(duì)。正反物質(zhì)湮滅所造成的粒子，賦予的動(dòng)能等同于原始正反物質(zhì)對(duì)的動(dòng)能，加上原物質(zhì)靜止質(zhì)量與生成粒子靜質(zhì)量的差，后者通常占大部分。（愛因斯坦相對(duì)論指出，質(zhì)量與能量是等價(jià)的。）

反物質(zhì)無(wú)法在自然界找到，除非是在稍縱即逝的少量存在（例如因放射衰變或宇宙射線等現(xiàn)象）。這是由于反物質(zhì)若非存在于像物理實(shí)驗(yàn)室的人工環(huán)境下，則無(wú)可避免地隨即與自然界的物質(zhì)發(fā)生碰觸并湮滅。反粒子和一些穩(wěn)定的反物質(zhì)（例如反氫）可以人工制造出極少量，但卻不足以達(dá)到可對(duì)這些物質(zhì)驗(yàn)證其理論性的程度。

在科學(xué)與科幻領(lǐng)域，都有很大的疑問關(guān)于為何所見的宇宙很明顯地幾乎充滿了物質(zhì)、是否有其他地方幾乎充滿了反物質(zhì)，以及是否能夠駕馭反物質(zhì)，但在現(xiàn)今可見的宇宙范圍中，明顯的正反物質(zhì)不對(duì)稱性成了物理的最大難題之一。許多可能的物理過程都是在探究重子時(shí)所發(fā)現(xiàn)。

歷史

1927年12月，英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克提出了電子的相對(duì)論方程式，即狄拉克方程^[1]。有趣的是，等式中發(fā)現(xiàn)除了一般正能量之外的負(fù)能量結(jié)果。這顯示出一個(gè)問題，當(dāng)電子趨向于朝著最低可能的能階躍遷時(shí)；負(fù)無(wú)限大的能量是毫無(wú)意義的。但為了要彌補(bǔ)這條件，狄拉克提出真空狀態(tài)中是充滿了負(fù)能量電子的“?！保Q作狄拉克之海。任何真實(shí)的電子因此會(huì)填補(bǔ)這些海中具有正能量的部分。

衍伸這個(gè)想法，狄拉克發(fā)現(xiàn)海中的這些“洞”則具有正電荷。起初他認(rèn)為這是質(zhì)子，但Hermann Weyl指出這些洞應(yīng)該是具有和電子相同的質(zhì)量。1932年由美國(guó)物理學(xué)家卡爾·安德森在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了正電子的存在。在此期間，反物質(zhì)有時(shí)也常被稱作“反地物質(zhì)”。雖然狄拉克自己沒有使用反物質(zhì)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，但是后來(lái)的科學(xué)家將反質(zhì)子等粒子稱呼為反物質(zhì)^[2]。完整的反物質(zhì)元素周期表由查爾斯·珍妮特（Charles Janet）于1929年完成^[3]。

性質(zhì)

反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合起來(lái)就形成了反原子。

反物質(zhì)和物質(zhì)一旦相遇，就相互吸引、碰撞而100%轉(zhuǎn)化為光并釋放出的巨大的能量，這個(gè)過程叫做湮滅。湮滅過程會(huì)釋放出正、反物質(zhì)中蘊(yùn)涵的所有靜質(zhì)量能，根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式──E=mc2，一種在科學(xué)界受到普遍認(rèn)同的理論認(rèn)為，宇宙大爆炸早期曾產(chǎn)生了數(shù)量相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)和反物質(zhì)，隨后發(fā)生的物質(zhì)和反物質(zhì)的湮滅消耗掉了絕大部分的正、反物質(zhì)，遺留下的少部分正物質(zhì)構(gòu)成了現(xiàn)如今的物質(zhì)世界。理論上宇宙大爆炸時(shí)所產(chǎn)生的粒子與反粒子應(yīng)該數(shù)量相同，但是為什么現(xiàn)今所遺留下來(lái)的絕大多數(shù)都是正粒子，這即所謂的“正反物質(zhì)對(duì)稱性破壞”(對(duì)稱破缺)，雖然在幾個(gè)粒子對(duì)撞試驗(yàn)中，都發(fā)現(xiàn)了正粒子與反粒子的衰變略有不同，及所謂的電荷宇稱不守恒(CP破壞)，但在數(shù)量上仍不足以解釋為何現(xiàn)今反物質(zhì)消失的問題，這在粒子物理學(xué)上仍是一大未解決的問題。

盡管在人們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中制造出了為數(shù)眾多的反原子，然而目前在自然界中尚沒有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為即使自然界中存在反物質(zhì)，它也很快會(huì)和正物質(zhì)發(fā)生湮滅。

 應(yīng)用

因?yàn)槲镔|(zhì)與反物質(zhì)的湮滅時(shí)質(zhì)量可完全轉(zhuǎn)換成能量，帶來(lái)最大的能源效率，且單位產(chǎn)量是核能的千百倍或常規(guī)燃料的億兆倍，所以一直有人研究其作為新能源的可行性，主要用于很難補(bǔ)給燃料的航太用，甚至作為反物質(zhì)武器。但是由于目前人為制造反物質(zhì)的方式，是由加速粒子打擊固定靶產(chǎn)生反粒子，再減速合成的。此過程所需要的能量遠(yuǎn)大于湮滅作用所放出的能量，且生成反物質(zhì)的速率極低，因此尚不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，反物質(zhì)與物質(zhì)相遇會(huì)發(fā)生湮滅，保存上也是一大問題。