关于反物质的 10 件事：人体也会释放反物质
人体也会释放反物质
- 关于反物质你可能不知道的 10 件事
电影《星际迷航》中的反物质星舰“企业号”
中微子或它们自己的反粒子
研究反物质被认为是解开宇宙起源之谜的重要途径
欧洲大型强子对撞机
反物质火箭假想
本报记者刘霞综合外电报道
除了我们平常的物质，宇宙中还有反物质。自1928年英国物理学家保罗·狄拉克预言反物质的存在以来，反物质一直是科学家眼中的“甜点”。科学家认为，反物质研究在高能物理、宇宙演化等方面具有重要意义。深入研究反物质是解开宇宙起源之谜的重要组成部分。
反物质也是许多科幻小说中的“标准”。例如，在《达芬奇密码》的配套电影《天使与恶魔》中，一枚仅含有 0.25 克反物质的炸弹足以将梵蒂冈从地球上抹去；“企业”号飞船利用物质-反物质湮灭产生的强大推力，实现超光速。
在粒子物理学中，反物质是一种由反粒子组成的特殊物质。反粒子和粒子具有相同的质量，但电荷和自旋相反。这些反粒子结合起来形成反物质。例如，一个正电子（电子的反物质）和一个反质子可以组成一个反氢原子。
此外，反物质还有许多令我们惊讶的特征。由费米国家实验室和斯坦福直线加速器中心（SLAC）共同创办的《对称》杂志的网站列出了我们可能不知道的关于反物质的十件事。事物。
物质和反物质不对称
1928 年，狄拉克预言了电子的反粒子正电子的存在。
1932年，美国科学家卡尔·安德森在研究一种来自遥远空间的宇宙线过程中意外发现了正电子，证实了狄拉克的预言，在科学界引起了震动和轰动。是偶然的还是普遍的？如果普遍，所有其他粒子都具有反粒子吗？因此，科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个搜索目标。
1936年，安德森因发现正电子而获得当年的诺贝尔物理学奖。后来，其他基本粒子的反粒子也陆续被发现。1955 年，美国研究人员创造了第一个反质子，一种带负电荷的质子。
今天我们的宇宙中存在大量由正粒子组成的物质，但还没有发现由反粒子组成的稳定反物质。这说明宇宙中的正物质和反物质并不是严格对称的，否则一切物质都会湮灭。
宇宙起源的标准理论认为，物质和反物质是在大爆炸开始时成对或等量产生的。当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭，只留下能量。因此，理论上我们不应该存在，但事实并非如此。今天剩下的绝大多数是正粒子，也就是所谓的“对称破缺（symmetry broken）”，虽然在几次粒子碰撞实验中，发现正粒子和反粒子的衰变略有不同反物质弹哪个国家有，但数量仍然不足以解释为什么今天反物质会消失，这仍然是粒子物理学中一个未解之谜。，科学家们也为此提出了很多解释。
物理学家目前正在努力研究这种不对称性，希望最终能澄清这种不对称性。或许在揭晓答案的那一天，也将迎来天文学的新纪元。
反物质比你想象的更接近你
少量的反物质以宇宙射线和高能粒子的形式不断地落在地球上。这些反物质粒子以每平方米 1 到 100 个的范围进入大气。
但其他反物质来源实际上就在眼前。例如，香蕉也会产生反物质——它每 75 分钟发射一个正电子。出现这种现象是因为香蕉中含有少量的 40 钾。Potassium-40 是钾的天然同位素，在衰变过程中释放出正电子。
人体还含有钾40，这意味着身体也会释放正电子。由于反物质一旦与物质接触就会相互湮灭，因此这些反物质粒子的寿命非常短。
昂贵但无法实现
虽然物质-反物质湮灭具有释放大量能量的潜力，但一克反物质可以产生核爆炸规模的爆炸，但人类目前产生的反物质非常少。
1995年，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家在实验室制造出世界上第一批反物质——反氢原子；1996年，费米国家加速器实验室成功制造了7个反氢原子。2000年9月18日，欧洲核子研究中心成功地产生了大约5万个低能态的反氢原子，这是人类第一次在实验室条件下产生大量的反物质。2011年5月上旬，中国科学技术大学与美国科学家合作，研制出迄今为止最重的反物质粒子反氦4。
然而，到目前为止，费米实验室的 Tevatron 制造的所有反质子加起来只有 15 纳克（十亿分之一克）。欧洲核子研究中心制造的所有反质子加起来只有 1 纳克；德国电子同步加速器 (DESY) 制造的正电子加起来约为 2 纳克。即使所有这些反物质一次全部湮灭，它们也不会产生足够的能量来煮一杯水。
根本问题在于制造和储存反物质的效率和成本。目前，反物质是由加速器产生的高能粒子撞击固定目标产生反粒子，然后减速合成。这个过程所需的能量远远大于湮灭释放的能量。，并且反物质的产生率极低：大约需要 25 × 1015 千瓦时的能量来制造 1 克反物质。因此，就生产成本而言，反物质是世界上最昂贵的物质。
使用“陷阱”保护反物质
反物质也难以捕获和储存。因为反物质一遇到物质就会湮灭爆炸，我们不能用任何物质制成的容器来储存它，必须为它们建造专门的“家”。
带电的反物质粒子，如正电子和反质子，可以被困在彭宁陷阱中。这些设备可以被认为是小型加速器，依靠磁场和电场来防止粒子与井壁碰撞，从而使它们螺旋运动。据悉，目前，美国宇航局和宾夕法尼亚州立大学的科学家已经能够在彭宁离子阱中储存 1010 个反质子一周。但彭宁离子阱对反氢原子等不起作用，因为反氢原子不带电，不能被电场“锁定”。相反，它们被关在俗称的“雅普陷阱”中。
事实上，地球的磁场也类似于某种反物质陷阱。2011年，一个意大利科学团队使用宇宙射线探测器成功发现了范艾伦辐射带中的反质子带，该辐射带距离地球表面350至600公里。
反物质可能向上飞
爱因斯坦的广义相对论告诉我们，引力对任何物质的作用都是一样的。标准模型理论还预测重力应该对物质和反物质产生相同的影响。那么重力作用会使反物质下落还是飞上去呢？如果反物质的行为完全不同，它们会推翻现有的物理学理论吗？欧洲核子研究中心正在进行的“宙斯盾（AEGIS）”实验和“反氢激光物理装置（ALPHA）”实验都在试图发现这一点。
当然，观察重力对反物质的影响并不像观察苹果从树上掉下来那么容易。这些实验需要将反物质保持在陷阱中，或者通过将其冷却到绝对零以上的温度来减慢它的速度，以便更好地观察它。而且，由于引力是最弱的基本力，物理学家在这些实验中必须使用中性反物质粒子来防止来自更强电场的干扰。
粒子减速器使反物质减速
我们中的许多人都熟悉粒子加速器，但你知道粒子减速器也存在吗？欧洲核子研究中心有一个叫做反质子减速器的装置。2000 年 8 月 10 日，CERN 宣布反质子减速器投入使用。
反质子减速器是一个圆形的混凝土箱，周长为 188m，造价 1150 万美元。它利用磁场冷却、减速和积累高能反质子和正电子，最终形成大量被电磁场束缚的反氢原子。反氢原子等粒子的性质和行为使之成为可能。
2014年，欧洲核子研究中心的“低速反质子原子光谱与碰撞（ASACUSA）”实验小组将正电子与反质子慢化剂产生的低能反质子混合，首次成功制造出一束反氢原子。他们探测到由 80 个反氢原子组成的 2.7 米长的反物质束。
中微子或它们自己的反粒子
物质粒子和它们的反粒子伙伴携带相反的电荷，使科学家们很容易区分彼此。但中微子几乎没有质量，很少与其他物质相互作用，也没有电荷，因此科学家认为中微子可能是马约拉纳费米子（与反粒子相同的粒子）。在 1930 年代，意大利物理学家 Ettore Majorana 提出中微子可以作为它们自己的反粒子。
诸如研究中微子特性的马约拉纳探测器和美国的 EXO-200 等实验旨在通过寻找一种称为无中微子双β衰变的行为来确定中微子是否是马约拉。纳米费米子。一些放射性原子核同时衰变，释放出两个电子和两个中微子。如果中微子是它们自己的反粒子反物质弹哪个国家有，那么它们会在双重衰变后立即相互湮灭，而科学家们只会看到电子。
发现中微子可以帮助科学家解释反物质的不对称性。物理学家认为中微子的范围从轻到重。今天存在的是轻中微子，而重中微子仅在大爆炸之后的一瞬间存在。
反物质在医学上“显示出它的潜力”
今天，虽然发现和制造的反物质粒子并不多，但像正电子这样的反物质存在也就不足为奇了。虽然目前还不可能像科幻小说中描述的那样制造和储存大量的反物质，但反物质的使用规模较小，例如许多医院使用的正电子发射断层扫描 (PET) 设备。，它使用正电子生成身体的高清图像。
发射正电子的放射性同位素（如香蕉中的钾 40））附着在葡萄糖等化学物质上，然后将它们一起注入血管。葡萄糖在血管内分解，释放出正电子，正电子在体内遇到电子，相互湮灭。这种湮灭过程会产生伽马射线，可用于构建身体图像，为医生提供诊断。
欧洲核子研究中心的科学家们一直在研究反物质作为一种潜在的癌症治疗方法。物理学家发现，他们可以使用粒子束攻击肿瘤，这些粒子束在安全穿过健康组织后释放能量。可以使用反质子添加另一束能量。科学家们发现该技术适用于仓鼠细胞，但尚未在人类身上进行过研究。
大爆炸后反物质可能仍潜伏
长期以来，科学家们一直希望“找出”大爆炸后留下的反物质，以解开物质-反物质不对称之谜。
国际空间站上的阿尔法磁谱仪 (AMS-02）) 的任务包括搜索这些粒子。2011年在奋进号上发射的先进探测器被认为具有“在未来十年内，它将在太空中最理想的地方探索反物质和反宇宙的存在。此外，它的任务还包括寻找黑暗宇宙中的物质和探索宇宙射线。
AMS-02 是有史以来被送入太空的最大磁谱仪，可以从数十亿个事件中识别出一个反粒子。这意味着与以前的实验相比，精度提高了三个数量级。有了这样的精度，探测器将以前所未有的精度检测宇宙射线光谱的组成。
AMS-02 内部是一个强大的永磁体，可以使带电粒子和反粒子向相反方向偏转，从而使物质和反物质分道扬镳，而不会“相遇”并相互湮灭。
宇宙射线碰撞通常会产生正电子和反质子，但产生反氦原子的机会极低，因为该过程需要大量能量。这意味着，即使只发现一个反氦核，也可以作为宇宙某处存在大量反物质的确凿证据。这些物质是在大爆炸之后产生的，它们的发现将是当今理解宇宙的真正突破。
反物质推进航天器还有很长的路要走
反物质的一个潜在且非常有趣的用途是为星际火箭制造超级燃料。
科学家们早就发现，当反粒子和粒子在高能下碰撞并湮灭时，会释放出大量的能量。这种能量的释放速度远高于核弹和氢弹。大约几克产生的能量相当于一枚战略核弹。由于这种特性，反物质经常被用作科幻小说中星际飞船的燃料。在《星际迷航》系列电影中，“企业号”飞船依靠其反物质动力系统，可以达到曲速，以比光速还快的速度到达宇宙中的任何地方。
肯特州立大学高级研究员张伟明和西储学院罗南·基南的分析表明，反物质火箭可以以 70% 的光速飞行。理论上，用反物质作为火箭燃料是可以的，但在这个新想法真正付诸实施之前，人们必须解决反物质的稀缺性和储存两个问题。
目前，科学家们仍然没有办法大规模生产或收集足够的反物质。经过近半个世纪的研究，人类最多只能储存反物质（反氢原子）1000秒。据媒体报道，2011 年，欧洲核子研究中心的科学家们设法让 309 个反氢原子保持 1000 秒，比以前长了 5000 倍。
然而，科学家是一群“明知山中有虎，却更喜欢在山里游历”的人。许多科学家正在研究反物质的制造和储存。如果科学家有一天能找到制造或收集大量反物质的方法，那么由反物质推动的星际旅行可能会从梦想变为现实。
但有趣的是，一旦反物质火箭真正投入使用，乘客也将不得不开始适应所谓的相对论效应——时空的移动速度不如接近光速的速度。简单来说，从地球到半人马座的旅程，地球时钟将运行大约 6 年，但实际上感觉不到 4 年半过去。
事实上，人体也会释放反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入，人们对反物质作用的认识会越来越深刻，反物质世界一定会为人类做出贡献。
