反物质的发现、制造和保存,我们为什么要研究反物质?

反物质的发现、制造和保存,我们为什么要研究反物质?

我们的世界是由物质所构成的,但是在宇宙之中不仅有物质,还有反物质。

反物质这个名词对于很多人来说具有浓重的科幻色彩,但这的确不是一个想象中的事物,而是真实存在的,早在1932年的时候,人类就已经确实发现了反物质的存在。在人类历史上,最早预言反物质的人是英国的物理学家保罗·狄拉克。

他在1928年的时候写下了著名的狄拉克方程,狄拉克方程本质上是电子在高速运动下的薛定谔方程,但关键在于狄拉克方程有两个可能的解,一个解表示电子拥有正能量,而另一个解则表示电子拥有负能量,而在经典物理学中,能量不可能为负值,所以对于狄拉克方程只能够做出这样的一个解释,那就是每一种粒子都有与之对应的一个反粒子,而反粒子拥有负能量。

反物质的发现、制造和保存,我们为什么要研究反物质?


反物质最早出现于狄拉克方程之中,当时的反物质还不过是一种理论预测,但仅仅在4年以后,1932年,人们就在宇宙射线中发现了正电子,同时也证明了反物质的真实存在。

我们通常所说的电子,都是带负电荷的,所以也可以称之为负电子,而正电子恰恰与电子相反,它带有正电荷。现在反物质到底是什么已经越来越清晰了,反物质其实就是与物质相对的,反物质与其相对的物质的物理性质是相同的,不同的只是量子数,以电子为例,就是电荷相反。既然宇宙中存在着与电子相对应的反物质正电子,那么是否所有的物质都存在着与之对应的反物质呢?事实证明的确如此,在二十多年后的1954年,人们发现了反质子,而1956年又发现了反中子,至此,反物质的确存在已经是无可置疑的事情了。

反物质的发现、制造和保存,我们为什么要研究反物质?


人类要研究反物质,只依靠发​现是不够的,人类需要自己去制造反物质。

怎么制造反物质呢?理论上很简单,质量与能量是可以相互转化的,比如让原子核的质量发生亏损,则会释放巨大的能量,这就是核裂变。如果反过来,让你能量转化为质量,那么也就获得了反物质。为了实现这一点,我们可以将粒子加速成为高能粒子,而高能粒子的碰撞就会产生正反物质对,位于北京的正负电子对撞机BEPC就可以实现这一点。

制造反物质很难,但是相比较制造而言,保存反物质才是最难的事情。因为正反物质相遇会发生湮灭,而湮灭会释放巨大的能量。这股能量有多巨大呢?假设我们现在有1克反物质,不小心和物质发生接触,于是发生了湮灭。让我们来计算一下。

反物质的发现、制造和保存,我们为什么要研究反物质?


1克反物质加1克物质,总质量为2克,2乘以光速的平方就等于180万亿焦耳,这就是根据质能方程计算得出的数据,1克反物质与物质发生湮灭就能够释放180万亿焦耳的能量。

什么概念呢?一块牛排的能量约为400万焦耳,也就是4500万块牛排,一个人吃可以吃好几万年。反物质只要与物质相遇就会湮灭并释放巨大能量,所以在保存反物质的时候不能让它与物质发生接触,只能保存在真空之中,而利用磁场进行约束,目前保存反物质的电磁约束装置被称之为潘宁阱,因为反物质具有微弱的磁距,所以采用磁场就可以将反物质约束在一定的空间之内,避免其与物质发生碰撞。那么,人类为什么要费尽心机发现、制造、保存并研究反物质呢?

反物质的发现、制造和保存,我们为什么要研究反物质?


人类之所以要研究反物质,就是为了证明宇宙存在的合理性。

理论上物质与反物质都诞生于宇宙初期,而随着宇宙慢慢冷却,不会再产生新的正反物质对,所以宇宙中最终留存下来的正反物质应该是相等的,并最终发生湮灭。而实际上不是这样的,我们的世界中物质显然多于反物质,所以我们的世界才是由物质所构成的,它才能够存在。

​可为什么物质与反物质总量不相等呢?为什么多出来的是物质,而不是反物质呢?我们的世界为什么由物质构成,而不是由反物质构成呢?这就是正反物质不对称所蕴含的谜题,又被称之为宇称不守恒。人类只有最终证明了正反物质的对称并不是严格的,才能够最终证明宇宙存在的合理性。


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