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反物质,一种神秘的物质,物理学家苦苦寻找多年,它究竟在何处?

反物质和普通物质是一样的,但在某些方面是对称的,就像人的左手和右手一样。每一个反粒子都有着和它对应的普通粒子相同的质量,但在某些方面它们的性质却恰恰相反。例如,质子是一个重子,带有一个正电荷,而反质子是一个反重子,带有一个负电荷。与数字的正负无关,就像人的左手和右手,重要的是它们的带电性质是相反的。

图解:氢原子由一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成,由于正负电荷的相互吸引,氢原子的结构是稳定的。同样的原因,反氢原子的结构也是十分稳定的。

反物质几乎于普通物质完全相同。由于光子(没有与之相对应的反粒子)与其它物质相互作用的方式均相同,因此无法通过“看”来分辨它们,除了β衰变。在β衰变的过程中,中子从它的“南极”放射出一个电子,而反中子则从它的“北极”放射出一个正电子。这种差异就像我们的左手和右手相互对称一样,没什么可奇怪的。

图解:左图:由普通物质组成的花;右图:由反物质组成的花的艺术想象图。

因此当我们放眼宇宙中的恒星和星系时,我们无法分辨它们是由普通物质还是反物质构成。反物质恒星与普通恒星有着相同的运行方式和轨道,并且同样会发光。就像电荷的正、负号或左、右撇子一样,除非将它们放在一起进行比较,否则是很难将它们区分开的。

如果你要这么做,必须要格外小心,因为当普通粒子与它的反粒子相互作用时,它们会发生湮灭并释放出大量的能量(通常是以光的形式)。如果你抓住1kg的反物质,它将与你身体的1kg普通物质发生湮灭,并释放出和有史以来最大的核爆炸相当的能量。       

图解:100英里外拍摄的沙皇氢弹爆炸,这就是2kg物质瞬间全部转化成能量的威力。

想要确切地知道物质(任何一种)中储存了多少能量,仅需使用质能公式:E=mc^2。当你使用这一公式时,一定要使用标准单位(质量:kg,光速:m/s,能量:J),这样就无需再进行单位换算了。根据这一公式,2kg物质所具有的能量E=(2 kg)(3×10^8 m/s)^2 = 1.8×10^17 J。

当普通物质与反物质相遇时,它们通常会发生碰撞。我们无法通过观察来分辨一个物体是由普通物质还是反物质构成,但是由于在广袤的宇宙中,星云和反物质星云相互碰撞并发生湮灭的奇观并不常见,我们可以确信在宇宙(至少是已知的宇宙)中,几乎所有我们能观察到的物质都是由普通物质构成的。我们的宇宙对反物质并非友善之地。

那我们为什么还要假设反物质存在呢?首先,当你重新写下薛定谔方程(一种精彩的描述粒子运动的方法)来弄清楚相对论(时空的基本理论)时,你会发现该方程有两个解,因此大部分粒子具有左和右两种形式(普通物质和反物质);其次,也是最重要的一点,我们能创造出反物质。

在高能状态下,例如粒子加速器中,能够随机生成新的粒子。并且这些新粒子总是成对产生,例如,每生成一个质子的同时也会生成一个反质子。恰到好处的是,生成的质子具有一个正电荷,在磁场中能够受到电磁力作用,而反质子具有一个负电荷,在磁场中能够受到与质子相反的电磁力作用,从而使二者的运动方向相反。因此,凭借极大地智慧和谨慎的实验设计,科学家们能使用粒子加速器(创造)和粒子减速器(减速和储存)一次性收集1亿个反粒子。

关于反物质,值得一提的是,最近有一种关于将其制作成武器的荒诞设想。设想一下,耗费一个小镇的电力来运行一个粒子加速器,制造出几亿个反质子,所产生的破坏力相当于一个雨滴“砸”到地上,还不如直接朝敌人扔砖头。

我们能目击到的最高能的粒子相互作用发生在上层大气中,想要看到这一景象需要耐心等待。来自宇宙深空的“上帝粒子”携带的能量是欧洲核子研究中心的粒子加速器中产生的粒子能量的9*10^7倍。但是,我们每隔几个月才能在几十英里外观察到一次这种超高能粒子。因此,我们耗费心力建立欧洲核子研究中心,就是为了能在合适的时间近距离观察粒子碰撞。

发生在上层大气中的碰撞会同时产生物质和反物质,一些碰撞的产物会被地球磁场的范艾伦辐射带俘获。在那里存在着几纳克的反物质。由此可见,每一个具有足够稳定磁场的行星和恒星都拥有极其少量的反物质。如果你要寻找自然形成的反物质,可以到这些地方寻找。

但是如果反物质和普通物质总是成对产生,并且它们并没有实质性的区别,那为什么宇宙中的物质都是普通物质呢?没人知道。这是一个激动人心的未解之谜?目前,重子不对称问题还是一个悬而未决的问题,虽然人们做出过很多努力来寻找这个问题的答案,但什么结果也没得到。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. askamathematician- The Physicist

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转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

翻译:天文志愿文章组-三疯

审核:天文志愿文章组- kaijie

排版:零度星系

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自:https://www.askamathematician.com/2018/01/q-where-is-all-the-anti-matter/

本文由天文志愿文章组-三疯翻译自askamathematician的作品,如有相关内容侵权,请于三十日以内联系运营者删除。

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