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每克62万亿美元,这是地球上最贵的物质,可让人类实现星际旅行

现在我们掌握了一个规律,哪种物质的作用最大,能量最高,最稀有,就越贵。那么最稀有的物质是什么呢?或者说什么物质含有人类需要的能量?你可能认为金是稀有金属,铀是裂变材料。这两种物质与其他元素相比,很难获得,但它们在地球上的储量还是很大的,可以说是宇宙中取之不尽用之不竭的。

今天我们要讲的是这种物质,在地球上是找不到的,即使你搜遍整个宇宙。是反物质,不仅稀有,而且其反应后释放的能量也无法与核反应相比。你可能以前听说过反物质,也可能忘记了它是什么。

事实上,反物质是正常物质的对立面,或者说是正常物质的逆版本,在性质上与组成正常物质的所有粒子基本相同。它们质量相同,自旋相同,电荷数相同。比如最简单的氢原子,它是由质子和电子组成的,是众所周知的正物质,而氢原子的逆版本是反氢原子,由反质子和反电子组成。

反粒子和正粒子的区别在于,它们的电荷相反,重子和轻子数相反。这就导致了两者价值的巨大差异。一克氢原子不值钱,因为地球上的水中有很多氢原子,你可以在家电解水制氢。

但是你在宇宙中找不到一克反氢原子。虽然人类已经掌握了制备反物质的方法,但是一克最简单的反氢原子的价值是62.5万亿美元。

这个区别可见一斑。除了稀有,对人类的作用也很大,是所有已知物质无法替代的。虽然我们现在在宇宙中找不到反物质,但在宇宙早期,也就是大爆炸后一分钟,反物质在宇宙中就很丰富了,科学家估计当时反物质和正物质的量是相等的。

也就是说,反物质和正物质一样多。这两种物质是早期宇宙高能辐射碰撞产生的。原理很简单,就是爱因斯坦的质能方程;当两个高能光子相互碰撞,携带的能量大于某个粒子的剩余质量(能量的一种形式)时,能量会自发产生这个粒子的正负粒子版本。

然后产生的正负粒子会因为电荷相反在瞬间被完全湮灭,然后产生两个高能光子,然后这两个光子产生正负离子,再被湮灭...,并继续这样循环。当宇宙膨胀冷却,光子能量减少到不足以产生正负粒子时,那么之前产生的相同数量的正负物质就会成对湮灭;

因此,科学家认为,在大量正负物质湮灭后,宇宙中除了光子之外,应该只有极少量的正负物质粒子,由于它们之间的距离很远,所以无法湮灭;这样,宇宙就不会产生我们今天看到的行星、恒星、星系和由正常物质组成的大规模结构。

但实际上,观察我们今天的宇宙确实是以正常物质为主,而反物质消失得无影无踪,只能说明宇宙中发生了一些我们现在理论上无法理解的事情;

物理学现在的一个难题,就是所谓正负物质的不对称量。目前看来,宇宙早期的正物质量应该比反物质多1/100亿。反物质最终被消耗掉之后,剩下的正物质保留到今天;

这些正物质组成了我们今天在宇宙中看到的一切,包括你我,还有你手里的手机。至于当时发生了什么。虽然我们现在还不知道,但是科学家相信一定有一些质量更高的粒子没有被我们发现。正是这类粒子的正负物质版本不服从电荷对称性(即C对称性破缺)和电荷守恒(即CP对称性破缺),破坏重子数守恒。

衰变时产生正负粒子不对称。希望以后能找到这种粒子,解开反物质消失之谜。反物质和正物质相遇后会完全湮灭,这是一种不留残渣的反应,其中包含的质量会瞬间转化为纯粹的能量。

这种反应的效率比核反应高几百万倍,核反应只释放一部分结合能,这部分结合能是质子和中子在核内重组而强烈产生的。在这个过程中,只会损失一小部分质量。比如三个质子结合形成氦4后,你称一下,质量只损失了7%。相当小的一部分。但是如果你取四个反质子和四个质子,让它们相遇,你会瞬间失去八个质子的质量。你可以大致算一下上图的数字,差距很大。

所以反物质确实比核能效率高,没有任何残留物,没有污染。这种物质简直就是宇宙中的终极能源。这种物质对人类太有效了。这么大的功能,在宇宙中几乎找不到,人类要花大量的时间和精力去制作,即使制作出来了,我们也还没有好的方法去储存。

事实上,自从上个世纪发现反物质以来,人类已经准备了非常少量的反物质,即反氢原子。上个世纪以来,费米实验室的电子加速器产生的反物质总量只有15纳克,大型强子对撞机产生的反物质粒子总量只有1纳克。

一克相当于十亿纳克,也就是说人类需要几万年才能创造出一克这样的反物质。而且这种物质是没有办法储存的,会和阳性物质发生反应,所以这种物质不可能被包装在我们知道的所有容器里,也不可能接触到空气。它必须受到真空中磁场的约束。

事实上,反物质不仅能使我们实现星际旅行,还能以巨大的能量加速宇宙飞船接近光速,在医学上有很大的用途。比如正电子发射断层扫描(PET)是正电子产生的高分辨率体像,成像效果远优于X射线扫描。此外,欧洲核子研究中心ACE项目的科学家已经研究了反物质作为癌症治疗的潜在候选物质。

虽然人类准备反物质和储存利用反物质还很遥远,毕竟我们现在连核反应都没玩过。只要掌握了可控核聚变,人类的能源问题就基本解决了。

只有在未来,我们才能谈论反物质能量,这导致这样一个事实,如果人类使用反物质,那么我们估计我们有能力殖民整个银河系。

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