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什么是反物质?

什么是反物质?如果物质和反物质相互作用会发生什么?反物质是如何发现的?为什么我们在日常生活中不经常遇到反物质呢?当你想到反物质的时候,所有这些问题以及更多的问题都会浮现在你的脑海中。但是,首先要做的事!让我们首先定义并理解什么是反物质。

从字面上讲,反物质与物质是相反的。对于每一个亚原子粒子,如电子、质子、中子等,都存在着反电子、反质子、反中子等反粒子。反粒子的质量与粒子相同,但其电荷和其他量子数的符号不同。其中一些量子数是轻子数,一个是电子,另外五个是轻子家族的成员,重子数是重子家族的六个夸克的三分之一。反粒子与其他反粒子的相互作用方式与普通粒子相互作用的方式完全相同。当涉及到物质和反物质时,物理定律是(几乎)对称的。事实上,一个由反物质组成的宇宙与我们的宇宙是无法区分的!

再详细一点,反电子被称为正电子,它带正电荷,轻子数为-1。正电子的质量与质子的质量完全相同。质子是一个带正电的亚原子粒子,由三个夸克组成,重子数为1。它的反粒子,即反质子,质量与质子相同,但带负电荷的重子数为负1(构成反质子的三个反质子中的每一个负1/3)。中性亚原子粒子,比如中子,很有趣。反中子与中子具有相同的质量和零电荷,但它的重子数为负1(同样,负1/3来自构成反中子的三个反夸克中的每一个)。

那么当物质和反物质相互作用时会发生什么呢?答案是焰火!当一个正电子和一个电子相互作用时,它们都会湮灭产生两个X射线能量光子!所以,我们很幸运,现在宇宙中的反物质是如此稀少。否则,每次物质和反物质相互作用时,我们都会被X射线和伽马射线灼伤。事实上,如果你遇到你的反自我,那么你们两个都会毁灭并释放大约2500兆吨的当量能量,几乎是世界核武器库总能量的三分之一!如果你能找到一种方法产生宏观数量的反物质和一种方法存储在孤立!一些现代粒子加速器经常产生用于高能物理实验的反质子。

既然我们知道什么是反物质,让我们看看物理学家是如何发现的。早在1928年,保罗狄拉克,量子力学新科学的奠基人之一,试图解决一个方程,其中包括狭义相对论的影响,以描述微观世界中电子的行为。令他惊讶的是,这个方程承认了对应于负能量的电子的解会回到原来的时间!任何一个没有安全感的物理系学生都会因尴尬而脸红,重新计算数学。然而,狄拉克对他的数学很有把握。相反,他重新解释了他的有问题的解决方案,用正能量来表示“反电子”。四年后,一位名叫卡尔·安德森的实验物理学家通过观察反电子正电子证明了狄拉克的正确性。正电子的发现为安德森赢得了1936年的诺贝尔奖。狄拉克因对原子物理学的贡献而在1933年获得诺贝尔奖。你想知道安德森的正电子是从哪里来的吗?安德森发现的正电子起源于大气中亚原子粒子的簇射,这种簇射是非常高能宇宙射线(主要是质子)与地球大气中原子相互作用的结果。

正电子的预言和随后的发现的故事是有启发性的,它显示了物理学中的重大发现是如何经常被发现的。安德森使用的装置被称为云室,是当时核物理实验室使用的标准仪器。粒子穿过云室后会留下气泡的痕迹。施加一个已知的磁场会使粒子根据其电荷弯曲。

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