接触“反物质国际”的大门，只需要你手中的香蕉

liukang20241周前 (05-04)cgw吃瓜521

出品：科普我国

制作：崔二亮（西北农林科技大学）

监制：我国科学院计算机网络信息中心

近来，来自欧洲核子中心（CERN）的阿尔法协作组（ALPHA collaboration）报导了氢原子的反物质对应物，即反氢原子能级结构中的特定量子效应——精细结构（fine structure）和兰姆位移（Lamb shift）。一直以来，科学家依据反物质对应的物质的性质，理论上假定反物质的量子效应与物质共同。而这次的丈量成果显现，反物质原子的特定量子效应与“一般” 物质原子中的理论预言相共同，这为进一步准确丈量反物质的特定量子效应和其他根本性质奠定了根底。此类研讨有助于提醒物质和反物质之间的差异，这一成果宣布在最新的《天然》期刊上。

什么是反物质？——科学而非科幻

对许多人来说，反物质听起来科幻得都近乎玄幻，一起也是最风险的存在。在丹·布朗的悬疑惊悚小说《天使与魔鬼》中，“光照派”教徒从欧洲核子中心地下试验室盗取很多反物质制作出反物质湮灭弹埋藏在梵蒂冈，企图在教皇选举日一举消灭天主教中心。这部小说后来被改编成由汤姆·汉克斯主演的同名电影。关于我国读者来说，丹·布朗的另一部小说《达芬奇暗码》则更为知名。

什么是反物质？

物理学对反物质的界说是：反物质是物质的对应物，二者物理性质类似，可是一切的量子数都反号，如电荷量。

让咱们从最简略的电子说起。电子带有一个负电荷，那么，与电子对应的反物质“反电子”（antielectron）或许说“正电子”（positron）则带有一个正电荷。正电子和电子的质量相同，可是电荷却相反。

早在1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）将量子理论和狭义相对论结合，写出电子在高速运动下的薛定谔方程，被称为狄拉克方程，这一方程为狄拉克赢得了1933年的诺贝尔物理学奖。好像方程x2=4有两个根（x=2或许x=-2）相同，狄拉克方程也有两个或许的解，一个解表明电子具有正能量，叫做正能解，别的一个解表明电子具有负能量，叫做负能解。

可是经典物理学和常识告知咱们，一个粒子的能量总是正值，不或许是负值。狄拉克创造性地将负能解了解为反粒子的能量，他认为关于每一种粒子（particle），都存在一个对应的反粒子（antiparticle），这两种粒子性质相同，只要电荷是不同的。比方与电子对应的反粒子是正电子，这种解释为人类翻开一个全新的”物质国际”——反物质国际。

在1932年，卡尔·安德森（Carl Anderson）在研讨国际射线的时分发现了正电子，然后证明晰狄拉克这一斗胆的猜测。

这一发现启示人们：是不是每一种粒子都存在和它的性质相同却带有相反的电荷的反粒子？（现实上，不带电的粒子也有反粒子，它的反粒子也不带电，比方光子的反粒子是它本身。

科学家开端经过各种办法去寻觅反物质。科学家企图在国际射线中寻觅反质子，但并未发现。1954年美国加州伯克利开端运转高能质子同步稳相加快器Bevatron。次年，Bevatron协作组初次发现反质子，文章宣布在该年11月1日的《物理快报谈论》（Physical Review Letters, PRL）上，这是初次观测到带有负电荷的反质子。1956年，Bevatron协作组发现反中子。

反物质不只存在，还能被”制作”出来

其实，现在物理学家们现已可以在试验中“制作”很多反物质用于研讨了。

欧洲核子中心的反质子减速器AD(Antiproton Decelerator)便是一台将发生初期的高速反质子减速用于研讨反质子或许反原子性质的仪器。

“制作”反物质并不简略，但也并非不或许。

首要，咱们需求了解爱因斯坦那个闻名的质能方程E=mc2。这个方程告知咱们，质量和能量是等价的，可以经过一些手法，将质量转化为能量，也可以将能量转化为质量。信任咱们对质量转换为能量的比方并不生疏——核裂变和核聚变——亏本的原子核质量转化为巨大能量并开释，这为咱们人类永久处理动力问题带来曙光。

要取得反物质，即，发生必定质量的粒子，理论上只需求将必定的能量转化为质量就可以。你要取得的反物质粒子质量越大，需求耗费的能量也就越大，比方质子的质量大概是电子质量的2000倍，那么制作反质子需求的能量也至少是正电子的2000倍。

假如你仅仅想取得轻的反物质，比方说正负电子对，高能光子就足够了。高能光子可以是一种特别的电离辐射——γ辐射。一些原子核衰变可以发生γ辐射。当然，还有的原子核衰变可以直接发生正电子，这是一种β辐射，大部分的β辐射发生的是电子，只要少部分直接发生正电子。

科学家经过高能加快器将粒子加快取得高能，高能粒子磕碰之后开释的能量会发生正反物质对。咱们所了解的粒子加快器有，北京正负电子对撞机BEPC、欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC、日本国家高能物理研讨所的高亮度正负电子对撞机B工厂、美国斯坦福直线加快器SLC等。

其实，日子中一些元素能直接经过衰变发生反物质。比方，咱们日子中常见的一种生果香蕉中富含的钾元素K就能经过衰变发生正电子。

天然的钾元素中大部分是39K，也包括少数39K的同位素40K。40K具有放射性，可以经过放射出一个电子变为钙40Ca，也可以放射出一个正电子变为氩40Ar。不过你尽管放心斗胆地吃香蕉，不用忧虑辐射也不用忧虑正电子会把你湮灭掉，由于天然钾中放射性同位素40K的含量太低了，究竟，脱离剂量讲毒性都是“耍流氓”。

实际上，现在一种分辨率很高的医学影像设备叫正电子发射断层扫描仪（PET/CT），现已较为广泛地用于医疗检测。PET/CT由PET和CT两部分组成，PET显像是将发射正电子的核素引进人体内，发射出来的正电子与体内的电子发生正反电子湮灭转换成高能光子射至体外成像，PET/CT终究别离给出PET的图画、CT的图画以及联合图画，这关于准确确认病灶和病灶的改变非常重要。

取得反物质很难，保存它更难

假如咱们周围有反物质——不只仅是香蕉发生的正电子，国际射线中也有正电子，别忘了发现的第一个反物质粒子便是国际射线中的正电子——那么一个费事的问题来了：国际中居然存在反物质，为什么不简略看见？

身处物质国际中，反物质粒子一旦发生并遇到对应的物质粒子，就会被湮灭掉，湮灭的正反物质对会放出高能的双光子。

正反物质湮灭发生的双光子有多高能呢？

咱们以0.5克的反物质和0.5克的物质磕碰湮灭为例。只需用质能方程做个简略的乘法就能知道：E=mc2，其间质量m是正反物质的总质量1克，c是真空中的光速约为30万公里/秒，0.5克的反物质和0.5克的物质磕碰湮灭之后会发生90,000,000,000,000（九十万亿）焦耳能量。

这个能量是什么概念？食用一根一般腊肠（约75克），可以为身体供给的热量是300大卡（千卡），约为1,200,000焦耳。假如将0.5克反物质湮灭发生的能量换算为供给热量的腊肠的数量，你需求约7200万根这样的腊肠。

假如是换算成美国曾用于实战的“胖子”原子弹是多少呢？“胖子”原子弹爆破发生的威力为20000吨TNT当量，1克TNT爆破开释的能量是4181焦耳，那么很简略得到0.5克反物质湮灭开释的能量超越1000个“胖子”原子弹发生的能量！

这也便是为什么《天使与魔鬼》中的“光照派为什么要盗取欧洲核子中心试验室中的反物质制作反物质湮灭弹企图消灭梵蒂冈。可是电影中却没有告知你，”光照派”是用什么容器盛放反物质的。

不过走运的是，从技术上来说要制作和保存即便是0.5克的反物质，也简直是不或许的。这类似于一个经典疑问：一个科学家发明晰可以溶解一切的药水，那这个药水要装在哪里？天然构成的反物质或许人工制作的反物质，一旦遇到物质粒子，就会被湮灭掉。咱们要把反物质放在哪里？

尽管很难，但理论上仍是保存反物质的办法。你不或许将反物质放入一个一般的盒子贮存起来，由于反物质立刻就会发生湮灭而消失。为了防止反物质和物质直触摸摸，必需求放入真空环境中，而真空又需求密闭，密闭的容器必定是物质做成的，你还需求防止反物质运动与容器壁磕碰触摸。这个时分，你需求强的电磁场将反物质束缚在必定空间内。科学家运用一种叫潘宁阱（Penning Trap）的电磁束缚设备来保存反物质。一种潘宁阱结构及离子在阱中的运动轨道示意图(Image: CNKI)

为什么研讨反物质国际？——细思极恐的科学

反物质这么风险，发现反物质这么难，为什么咱们还要研讨反物质、乃至是反物质国际呢？

反物质仅仅和一般物质性质相同，电荷相反，这仅仅物理学家的假定。依据反物质对应的物质的性质，咱们假定反原子宣布的光和物质原子宣布的光是相同的，反物质物体也会在重力效果下做落体运动，可是真实情况其实咱们并不知道。咱们得到的反物质太少了，反物质的贮存又如此困难。

现实上，反物质远不止这么简略。围绕着反物质还有许许多多的问题，其间最根本的问题便是反物质哪里去了？为什么咱们的国际是物质的而不是反物质的？反物质的研讨还涉及到咱们现在国际存在的合理性。

依据大爆破理论，国际发生初期，高能能量基团发生出等量的物质和反物质，发生的正反物质对又会湮灭，这一进程伴随着国际的胀大循环往复。在胀大进程中，国际渐渐冷却下来，正反物质对发生进程停止，现存的正反物质应该是等量的。

但是现实并非如此，现在科学家发现，咱们的国际简直只由物质构成。只要证明正反物质之间的对称性不严厉，才干阐明咱们现在国际的存在便是合理的，即便这种对称性破缺只要百万分之一。

由于，假如有很多反物质存在，就会不断有湮灭进程发生，即便间隔咱们很远，按照人类现在的观测手法来讲，也是可以观测到的，但现实是，咱们并没有看到。

咱们的物质国际主要是由粒子而不是反粒子构成，这便是闻名的正反物质不对称性谜题或许叫电荷-宇称不守恒（CP破缺）。

1956年，华裔美籍物理学家杨振宁（Chen Ning Yang）（现为我国籍清华大学教授）和李政道（Lee Tsung-Dao）发现了弱相互效果下宇称不守恒。同年，华裔美籍女物理学家吴健雄（Wu Chie-Shiung）用钴-60的弱衰变证明晰杨-李的理论。次年，杨、李二人即取得诺贝尔物理学奖。正是由于正反物质不对称，才形成咱们今日的国际主要有物质而不是反物质构成。

或许有人会问，怎样知道国际是物质的而不是反物质组成的呢？

这是由于咱们先发现的物质，“物质”和“反物质”仅仅两个称号罢了。假如在另一个国际中，科学家为国际的组成命名为“反物质”，那么它们便是一个“反物质”国际。说不定，有一个“镜中”的国际，存在于咱们的平行时空里，那里也有一个你的对应者！

参考文献：

[1] Ahmadi, M., Alves, B.X.R., Baker, C.J. et al. Investigation of the fine structure of antihydrogen. Nature 578, 375–380 （2020）.

[2] CERN news: ALPHA collaboration at CERN reports first measurements of certain quantum effects in antimatter. （2020.02.22）.

[3] Frank Close, Antimatter, Oxford University Press, 2009.

[4] Hannes Alfven, Worlds-Antiworlds: Antimatter in cosmology, W. H. Freeman and Company, 1966.

图来历：图一，nature文章；图二：cern news, 网址如下

https://home.cern/news/news/physics/alpha-collaboration-cern-reports-first-measurements-certain-quantum-effects

图三：靳根明.原子核质量的精细丈量[J].现代物理常识,2018,30(06):37-45.

文章仅代表作者观念，不代表我国科普饱览态度

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