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反物质比想象中的多!香蕉上的钾,平均每天会产生19颗“正电子”

在可观测的宇宙中,质子、中子、电子是组成物质的3大粒子(再拆解的话还有夸克、轻子,本篇不讨论);以带电性来说,质子带正电,电子带负电,而中子不带电。而相对于物质,另一种叫“反物质”,带电性和物质完全相反:反质子带负电,而正电子带正电。当反物质与物质接触,两者就会消失;而消失的质量就会遵守爱因斯坦的质能互换公式E = mc^2化为能量。

在日常生活中,物质占绝大多数,因此反物质会给人一种神秘、遥远的感觉。但反物质不是在遥远宇宙的另一端才有,地球上也经常见,只不过量实在太稀少了,所以我们感觉不到。

其中一个有反物质的东西就是“香蕉”。

一根香蕉平均每天会产生19颗正电子

根据科学家的观察,一根香蕉平均每75分钟会产生一颗正电子,一天就会产生19颗正电子,因为香蕉含有微量的钾40,它们进行β+ 衰变的时候就会释放出正电子。除了香蕉,其他含有钾的食物也会有钾40,因此它们也会产生正电子。

只不过这些正电子出现之后,就会跟其他电子交互作用而“消失”,所以人类无法保存它们。而它们消失之后,损失的质量就会根据E = mc^2转成能量,这也是核弹爆炸、恒星发光的原理;但香蕉产生的正电子相当稀少,因此产生的能量非常低,我们也不会一直在日常生活中经历“核爆”。

除了香蕉,医学上用来检测癌症的“正子断层造影”(PET)也是使用反物质的原理。仪器产生正电子,正电子跟人体的物质接触而消失,产生伽马射线,医生就通过这些伽马射线,审查病患的身体状况。

地球的磁场也会捕捉宇宙的反物质,科学家曾经在范艾伦带发现反质子。

科学家在80年前就已经发现反物质

人类史上最先“算出”反物质的科学家是狄拉克。1928年,他在计算量子力学的方程式时发现两个解,如同x^2 = 4会有2和 -2两个解,其中一个解就是宇宙常见的“物质”。但狄拉克没有排除另一个解,保留“反物质”存在的可能性。

1932年,美国物理学家Carl Anderson在云室里拍到正电子的照片,证实了反物质的存在。

虽然科学家80年前就发现反物质,它们当地球上也经常见,但数量稀少,而且与物质接触之后就会消失,直到2010年,科学家才成功捕捉到反物质。

生产反物质超贵,保存反物质更是天价

在瑞士日内瓦,有个专门制造反氢(氢的反物质)的工厂。科学家使用质子同步加速器,把质子加到一定速度后与金属相撞产生反质子,接着再用磁场过滤出反质子,并将它们减速;最后,让减速后的反质子与正电子结合,产生反氢。

制造反物质需要大量经费。根据NASA在1999年的估算,制造一克的反物质,需要耗费6.25 x 10^13美元的成本,也就是62.5万亿美元,而台湾的GDP每年也才17.8万亿。也就是说,制造一克的反物质,需要台湾超过100年的GDP才办的到。

制造反物质是极端高价,而存储反物质更是天价,还要消耗大量的电力。对于带电的反物质(反质子、正电子),科学家可以用磁场保存它们;对于不带电的反物质(反氢),科学家则用Ioffe-Pritchard陷阱保存。根据科学家在2015年的计算,存储1克的反物质需要2.5 x 10^16 KWh的能量,若根据台湾在2018年的总发电量273,601 GWh来推算的话,那需要10万个台湾同时发电,才可以存储1克的反物质。

欧洲核子研究组织(CERN)在2018年表示,成功在6K(摄氏零下267度)的真空中,存储了几颗反质子1年,并声称这些反质子是“宇宙中最长寿的反物质”。

反物质当地球上并不稀有,科学上也可以人工生产,但生产、保存反物质都需要大量的经费和能源。或许一些人会觉得,与其花这些钱研究反物质,还不如把它用在更实际的地方,但将经费投资在基础科学研究,不仅培养国家战略实力,还能带动科技的发展;从精神层面上来看,则让人类更了解宇宙的结构,满足人类求知欲,也教导人类谦卑,毕竟在宇宙中,人类真的很微小,懂的东西实在是太少了。

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