专注于孩子的科普教育11-26 14:43
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今天介绍世界上最贵的“物质”，它们不能摸，一摸就消失。但是，科学家们却可以把它们装起来。这是怎么回事呢？
参考资料 NASA 等
编译 七君
我们的世界是由物质构成的，也就是电子和夸克等粒子构成的。不过呢，这些粒子都有反粒子，也就是除了电荷相反以外，其他方面一样的“孪生”粒子，它们就是反物质。
反物质是首先被数学预言，然后才被找到的东西。
1928年，量子力学奠基人保罗·狄拉克在解方程的时候发现方程存在2个解，类似于 (x2-1)=0有+1和-1两个解一样。不过，狄拉克没有排除另一个解，而把它写到了论文 The Quantum Theory of the electron 里面。
1931年，他又发了一篇叫做 Quantised Singularities in the Electromagnetic Field的论文，描述了反物质存在的可能性。
一年多后的1932年，有人（美国物理学家 Carl Anderson）居然真的拍到了一种反物质——正电子的照片。因此，人们开始重视起狄拉克对反物质的预言，并开始寻找其他反物质。
1932年，Carl Anderson拍到的云室里的正电子轨迹，中间的是6毫米厚的铅板。
@wikipedia
虽然能够拍到反物质，但是制造和捕捉它们又是另一回事了。科学家在2010年才首次成功捕捉了反物质。
捕捉反物质的难度在于，它们在宇宙中很少见（不然宇宙可能早就不存在了），而且遇到物质会爆炸，俩俩碰碰乐相消，同时释放出能量，这个过程叫做湮灭。0.25克的物质和0.25克的反物质相遇湮灭释放出的能量，等同于5千吨的TNT。
而且，反物质是世界上最昂贵的东西。
根据 NASA 在1999年公布的消息，一克反物质的制造成本是6.25*1013美金。2015年的制造成本的数量级也在万亿美金的级别，小国恐怕举全国之财力都造不出来。
不过呢，我们生活中会遇到反物质。
例如，香蕉会产生一种反物质——正电子。一根香蕉平均每天会释放出15个正电子，因为你的香蕉里含有微量的钾40（钾的一种同位素），而钾40会发生放射性衰变，并在这个过程中释放出正电子（正β衰变）。当然，你吃下含有钾40的其他食物，也会产生正电子。
钾40有多种衰变途径，其中一种是β+衰变，释放出正电子并衰变为氩40。
除了香蕉里的反物质，科学家们也曾经观测到雷暴产生反物质的证据。还有，医学上常用的正子断层照影（PET）就是利用正电子进行的。
正子断层照影（PET）设备
@uiowa
PET 技术常常被用来检测癌症和脑部成像。PET 利用能够产生正电子的放射性同位素，让它们和人体内的物质，比如葡萄糖结合。这些物质接着会释放出正电子并和人体内的物质接触湮灭，湮灭的过程产生伽马射线，就可以被检测到了。
正子断层照影（PET）产生的图像
@seeker
地球的磁场也类似于一个反物质阱，能困住反物质。科学家们也也曾经在地球附近的范艾伦辐射带里找到了反质子。
地球的范艾伦辐射带的艺术描绘
@NASA/Scientific Visualization Studio
所以问题来了，既然香蕉也会产生反物质，为什么反物质还这么贵呢？
因为，要大量制造和储存反物质很不容易。
美国费米国立加速器实验室（Fermilab’s Tevatron particle accelerator）总共产生了15 纳克（1纳克 = 1克的十亿分之一）的反质子（带1个单位负电荷，类似于质子的反物质），欧洲核子研究中心（CERN ）制造出了1 纳克的反质子，德国电子加速器（DESY）制造出了2 纳克的正电子。
CERN
@seeker
2015年时，储存1克反物质需要2.5*1016千瓦时的能量。2018年，CERN 公布，BASE 实验成功无损地在6 开尔文（-267 摄氏度）的真空中储存了几粒反质子1年。CERN 称，这些反质子是宇宙中最冷也是最长寿的反物质。
所以，天价反物质是怎么制造的呢？在瑞士日内瓦，有制造反氢（氢的反物质）的工厂。一起来看看吧。
CERN 的反物质工厂
@CERN
科学家们首先用质子同步加速器，让质子加速，然后使其和一些金属（如镭）相撞，产生的物质中有一些是反质子。然后，用磁场可以过滤这些粒子，因为反物质的电荷和普通物质相反嘛。
CERN的质子同步加速器
@CERN
不过呢，反质子没有颜色也没有气味，用肉眼无法分辨。好在，反质子有独特的电磁频率，能让科学家检测它们的存在。
接着，反质子要通过这个六角形的仪器 ELENA（extra low energy antiproton ring）。ELENA是一个减速器，它可以把反质子减速50倍（从5.3MeV减速到0.1MeV）。
让反质子减速的六角形装置 ELENA
然后，减速后的反质子和正电子结合，就可以形成反氢原子了。
氢（左）由质子和电子构成，反氢（右）由反质子和正电子构成。
对了，反氢和氢的颜色是一样的。2018年4月，CERN 的 ALPHA 课题组发表在《自然》上的研究指出，反氢和氢的颜色没有差别。
氢弧灯中氢原子被激发时产生的颜色
@NASA-Ames
最关键的问题来了，既然反物质和物质相遇会湮灭，那么怎么储存反物质呢？
还记得吧，某些反物质也是带电的，比如正电子，所以可以用磁场困住它们。其中一种反物质陷阱，叫做彭宁离子阱，它类似于小型的加速器，可以困住反质子和正电子。
CERN 的 BASE 实验采用的彭宁离子阱
但是它对中性粒子，比如反氢没有用，因为反氢不带电。对于这类不带电的反物质，要用 Ioffe-Pritchard 阱（IP trap）来装。
不过呢，现在我们还没有办法带着大量反物质到处走。
把反物质装到卡车里，然后运到几百米外的地方，是 CERN 的一个叫做 PUMA 的研究项目的目标。PUMA 想要在2022年把含有反物质的阱装到卡车上，然后运到几百米外的另一个实验场地 ISOLDE。
这样费劲，是因为 ISOLDE 这里会产生稀有的放射性原子核，这些原子核会很快消失，因此无法搬运，只能让别人自己过来先。反物质运过来以后，就会和这些短命的放射性原子核碰撞，这样科学家就可以研究这些珍稀原子核的结构了。
2022年，PUMA 的小卡车被交警拦下。
交警：车上运的什么？
司机：反物质。
交警：少来。打开看看。
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