反物質

反物質

反物質是一種假想的物質形式,在粒子物理學裡,反物質是反粒子概念的延伸,反物質是由反粒子構成的,如同普通物質是由普通粒子所構成的。物質與反物質的結合,會如同粒子與反粒子結合一般,導致兩者湮滅,且因而釋放出高能光子或伽瑪射線。1932年由美國物理學家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在。隨後又發現了負質子和自鏇方向相反的反中子。中國科學院上海光機所強場雷射物理國家重點實驗室近日利用超強超短雷射,成功產生反物質:超快正電子源。

基本信息

基本介紹

反物質反物質
自然界紛呈多樣的巨觀物體還原到微觀本源,它們都是由質中子和電子所組成的。這些粒子因而被稱為基本粒子,意指它們是構造世上萬物的基本磚塊,事實上基本粒子世界並沒有這么簡單。在30年代初,就有人發現了帶正電的電子,這是人們認識反物質的第一步。到了50年代,隨著反質子和反中子的發現,人們開始明確地意識到,任何基本粒子都在自然界中有相應的反粒子存在。
反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。能量釋放率要遠高於氫彈爆炸。在丹·布朗的小說《天使與魔鬼》里,恐怖分子企圖從歐洲核子中心盜取反物質,進而炸毀整座梵蒂岡城。與此類似的是,YQZ的小說《末日大逃亡之地球毀滅》中,男女主角在費米國家實驗室科學家的幫助下,成功地用運載35克反物質的洲際飛彈炸毀了撞向南極洲飛船基地的中子星,而它曾經受數千枚核彈狂轟濫炸卻毫髮無傷。
反物質概念是英國物理學家保羅·狄拉克最早提出的。他在20世紀30年代預言,每一種粒子都應該有一個與之相對的反粒子,例如反電子,其質量與電子完全相同,而攜帶的電荷正好相反(A)。且電子的自鏇量子數是-1/2而不是正1/2。
歐洲航天局的伽馬射線天文觀測台,證實了宇宙間反物質的存在。他們對宇宙中央的一個區域進行了認真的觀測分析。發現這個區域聚集著大量的反物質。此外,伽馬射線天文觀測台還證明,這些反物質來源很多,它不是聚集在某個確定的點周圍,而是廣布於宇宙空間.

主要概念

正電子、負質子都是反粒子,它們跟通常所說的電子、質子相比較,電量相等但電性相反。科學家構想在宇宙中可能存在完全由反粒子構成的物質,也就是反物質。
電子和反電子的質量相同,但有相反的電荷。質子與反質子也是這樣。那么中子與反中子的性質有什麼差別?其實粒子實驗已證實,粒子與反粒子不僅電荷相反,其他一切可以相反的性質也都相反。這裡我們討論一下重子數的概念。
質子與中子被統稱為核子。人們從核現象的研究發現,質子能轉化為中子,中子也能轉化為質子,但在轉化前後,系統的總核子數是不變的。也就是說在中子轉變為質子的同時,質子也在轉變為中子。
50年代起的粒子實驗表明,還有很多種比核子重的粒子,它們與核子也屬同一類,這類粒子於是被改稱為重子,核子僅是其最輕的代表,一般的規律是:當粒子通過相互作用而發生轉化,系統中的重子個數是不會改變的。
由於重子數的守恆性,兩個質子相碰是不會產生一個包含三個重子的系統的,那么反核子應當怎么產生?實驗表明,反核子總是在碰撞中與核子成對地產生的。例如p+p→N+N+N+N'+若干π介子,其中N代表質子或中子,N'代表反質子或反中子。反核子一旦產生,它常很快與周圍的某個核子再相碰而成
對地湮滅。例如N+N'→若干π介子。按照這種說法推論,在宇宙的某個地方,一定存在著反物質世界。如果反物質世界真的存在的話,那么,它只有不與物質會合才能存在。可物質與反物質怎樣才能不會合?反物質在宇宙何方?這還是待解之迷。
對於比核子更重的重子,情況完全一樣。反重子也總是與重子成對地產生,成對地湮滅的。這些經驗使人們認識到,重子數的守恆規律需要重新認識。
現在人們把重子數B當作描述粒子性質的一種電荷。正反重子不僅有相反的電荷,而且也有相反的重子數B。令任一個重子都具有重子數B=+1,則任一個反重子都具有B=-1。介子、輕子和規範子等非重子不具有重子數,即它們有B=0。重子數的守恆規律可表述為:任何粒子反應都不會改變系統的總重子數B。這表述既反映了不涉及反粒子時的重子個數不變,也概括了反粒子與粒子的成對產生和湮滅。現在我們容易理解中子和反中子的區別了,它們具有相反的重子數B,因此反中子能與核子相碰導致湮滅,而中子則不能。
此外,人們還類似地發現了輕子數的守恆性。中微子雖不帶電,也不具有重子數,但它與反中微子具有相反的輕子數。按輕子數的守恆性,中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的,實驗還表明,介子數和規範粒子數是不具有守恆性的。這樣我們看到,電荷只是粒子的一種屬性,另外還有用重子數和輕子數等物理量刻畫的其他屬性。正反粒子的這些屬性也都是相反的。
1928年,英國青年物理學家狄拉克從理論上首次論證了正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外,一切性質和電子相同。1932年,美國物理學家安德遜在實驗室中發現了狄拉克所預言的正電子。1955年,美國物理學家西格雷等人用人工的方法獲得了反質子。此後人們逐漸認識到,不僅質子和電子,所有的微觀粒子都有各自的反粒子。
這一系列科學成果使人們日漸接近反物質世界。然而問題並不那么簡單。首先,在地球上很難發現反物質。因為粒子與反粒子碰到一起,就像冰塊遇上火球一樣,或者一起消失,或者轉變為其他粒子。所以在地球上,反物質一旦碰上其它物質就會被兼併掉。其次,製造反物質相當困難而且耗費巨大,需要如SSC或LHC之類的高科技儀器,並且即使製造出反物質,也難以保存,因為地球上萬物都由物質構成。
我們周圍的巨觀物質主要由重子數為正的質子和中子所組成。因此,這樣的物質被稱為正物質,由他們的反粒子組成的物質相應地叫反物質。從粒子物理的角度講,正粒子和反粒子的性質幾乎完全對稱,那么為什麼自然界有大量的正物質,而卻幾乎沒有反物質呢?這正是我們現在要討論的問題。
反物質就是正常物質的鏡像,正常原子由帶正電荷的原子核構成,核外則是帶負電荷的電子。但是,反物質的構成卻完全相反,它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。從根本上說,反物質就是物質的一種倒轉的表現形式。愛因斯坦曾經根據相對論預言過反物質的存在:“對於一個質量為m,所帶電荷為e的物質,一定存在一個質量為m,所帶電荷為-e的物質(即反物質)”。按照物理學家假想,宇宙誕生之初曾經產生等量的物質與反物質,而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。然而,出於某種原因,當今世界主要由物質構成,反物質似乎壓根不存在於自然界。正反物質的不對稱疑難,是物理學界所面臨的一大挑戰。

主要特點

在多數理論家看來,宇宙中正反物質的大尺度分離是不可能發生的。因此,三千萬光年的範圍內沒有反物質天體,已說明宇宙中大塊的反物質是不存在的。但是理論家也相信,極早期宇宙中正反物質應當等量。這樣,需要做的事是尋找物理機理,來說明宇宙如何才能從正反物質等量的狀態過渡到正物質為主的狀態。這裡,理論家也遇到了非常尖銳的困難。
按照大爆炸理論,甚早期宇宙介質的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產生達到統計平衡,宇宙介質就是一切基本粒子構成的混合氣體,且任一種穩定或不穩定的粒子都有接近相等的數密度。至於重子和反重子的數目是否嚴格相等,這不是由物理規律決定,而是由初條件決定的。
在理論家看來,在最初的宇宙中正反粒子應當等量才自然。但是易於看出,若這想法是對的,重子的守恆性立即會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體溫度降至10^13K以下,由於粒子的熱動能已不夠,熱碰撞成對產生重子已不可能。於是湮滅過程將使正反重子的數目同時迅速下降。最終,宇宙中將既沒有重子,也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上,今天宇宙中光子的數目最多.重子的數目是它的十萬萬分之一左右,反重子的數目很可能還要低許多量級。如果重子數B的守恆性是嚴格的物理規律,要宇宙從正反重子等量的狀態演化成今天這樣的狀態是不可能的。然後,理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多於反重子,那么問題的出路在哪兒?
重子數B的守恆性肯定是嚴格成立的物理規律嗎?至今難以計數的粒子實驗確實沒有發現過一個破壞重子數守恆的事例,但是這並不說明它一定是嚴格的規律。回顧一下化學的發展可作借鑑。化學反應是元素的重新組合。經驗表明,在重組合的前後,每一種元素的原子數是守恆的,無數的化學實踐表明沒有例外。想把汞變金的鍊金術的失敗,更從反面提供了證明。但是有了核反應的知識後人們已清楚知道,汞變成金完全可能,關鍵在於要有高的能量讓原子核發生變化。化學反應是在粒子能量小於1eV的條件下進行的,這條件下原子核不能相互接觸,核反應就不能發生。若過程中粒子的能量超過1MeV,原子核之間就能充分接近,那么原子核就能變化了,原子數的守恆性也就隨之破壞了。由此看來,原子數在化學過程中的守恆不是偶然的,但是它僅是低能下的唯象規律,而不是普遍成立的自然規律。借鑑同樣的道理,重子數的守恆性也可能僅是一定能量範圍的唯象規律,而不是普遍成立的。當粒子的能量更高,重子數的守恆性完全可能會不成立,這正是今天的理論家看到的出路。
從70年代中期起,粒子物理中由弱電統一理論的成功,掀起了研究相互作用大統一的潮流。按這樣的理論,高能下發生破壞重子數守恆的過程是自然的事,粒子物理中的這一潮流與宇宙學解決正反物質不對稱疑難的需要不謀而合了。於是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學的交叉領域而得到了很多進展。人們已清楚,要從正反物質等量的早期宇宙演化出今天正物質為主的狀態,除了重子數守恆須可能被破壞外,正反粒子的相互作用性質還必須有適量的差別。由於超高能下的粒子物理規律至今還沒有被掌握,因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素,尚不能回答,人們正在試探和摸索之中,如果今天的宇宙中只有正物質天體是事實,問題是否能按這思路得到解決也還並不完全肯定。
總之,為徹底揭開宇宙反物質之謎,前面還有漫長路要走。人們已能預料,這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的,它對物理學的影響也將是很深刻的。

相關質疑

反物質反物質
是否存在反物質

從哲學角度來講,這個問題很容易回答。我國古代的太極圖似乎也暗示了它的存在,部分天文學家也認為有存在的可能,但現代天文學還拿不出令人信服的證據。否定反物質的人很多,美國宇宙學家施拉姆(Schramm)說:“大多數理論家的直覺,不存在反物質。這意味著如果你找到它,那是一個偉大的發現,證明這些理論家都是錯誤的。但是最大的可能是,這意味著你找不到它。”
目前,由丁肇中主持的這項研究已有16個國家的科學家參與其中,投入的資金更是高達1000多億美元。許多科學家表示:只要能發現宇宙反物質的存在,那么這將是當之無愧的諾貝爾獎。該探測器已於2005年發射升空並永久停留在太空,東南大學還將建立一個數據接收分析中心和培訓中心作為配套項目。丁肇中認為,如果反物質確實存在,當正物質與反物質碰撞時可以產生巨大的能量。他現在所主持的“尋找宇宙中的暗物質和反物質”的研究已進行多年,目前已取得一些重要成果。“但是,從這一領域發展的歷史來看,人們要有思想準備,也許我們會發現意想不到的東西,與原先想研究的東西毫無關係。”丁肇中很慎重地表示。
從拉普拉斯大預言談起天體有巨大的引力,在巨大的引力作用下,會發生各類反應,並發光發熱。物極必反,拉普拉斯(Pierre-Simon;Laplace)曾經大膽預言:宇宙中最大的天體有可能是看不見的。當引力隨質量增大時,天體會變成一個一無所有的區域,既不發熱,也不發光,現在我們稱之為“黑洞”(BlackHole)。因此宇宙更多的是由不可見的暗物質或反物質組成,我們肉眼和天文儀器所能“看”到的只是以恆星或以星系形式存在的宇宙結構,這些物質只占宇宙總體的10%,90%的物質是以暗物質或其他結構形式存在。顯而易見,對可見物質的巨大引力的存在表明了暗物質或反物質的存在。可是我們用光無法探測到,用紅外線、紫外線和X光都無法探覓到它們的足跡。
同樣的,對應著現存的星繫結構體系,有由相反的反宇宙結構體系存在嗎?其實早在1898年,一位英國物理學家就提出:與物質存在一樣,有一個鏡像對應的反物質存在。受當時科學水平和試驗條件的限制,這個反物質概念沒有一點事實依據,因此在宇宙深處存在由反物質組成的宇宙恆星雲只能屬於純粹意義上的假說。
1997年科學家宣布發現了“銀心反物質噴泉”極大地震撼了整個物理學界,使科學家們尋找反物質的熱情一下子高漲起來。
1998年6月3日,由丁肇中教授發起的帶有全球意義的尋找宇宙反物質事件,使得這一領域一度成為全球科學家最為關注的焦點。
是否存在反物質天體
粒子實驗已證實,正反粒子的強作用和電磁作用性質完全一樣,因此反質子和反中子也能結合成帶負電的反原子核,反原核和反電子結合在一起,就能組成反原子。我們的正物質世界有多少種原子,相應在反物質世界中也能有多少種反原子,而且它們在結構上將是完全沒有區別的,延伸起來講,大量反原子可以構成反物質的恆星和星系。如果宇宙中正反物質為等量,那么這樣的反恆星和反星系就應當存在。因此這給天文學家提出了一個深刻的問題:天上有反恆星和反星系嗎?要由觀測來分辨遠處星系由物質構成或反物質構成並不容易,至今的天文觀測只是接收遠處天體所放出的光子。原則上,正物質天體若輻射光子,那么同樣的反物質天體應當輻射反光子。但是光子是純中性的粒子,因此光子與反光子是同一種粒子。這樣,天文學家通過可見光、射電、X射線或γ射線觀測,原則上無法區分他的目的物是由物質構成還是由反物質構成。恆星和星系除了輻射光子外,它們還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣,如果天文學家能接收中微子,那么他就能區分物質天體與反物質天體。可惜中微子與任何物質的相互作用都很微弱,造一個能接收它們的儀器很困難。今天用這辦法來區分物質天體或反物質天體還辦不到。那么讓我們問:與我們最鄰近的太陽或月亮會是由反物質組成嗎?
月亮是離我們最近的天體,由地面出發的太空人已在月球上登入過。如果月球是由反物質組成的,那么在那位太空人與月球接觸時,湮滅過程早已把他轉化為介子了。這是直接證據,表明月亮是正物質天體。至於太陽,那是人類沒有可能登入的地方。那么怎么才能知道它不是由反物質組成的呢?太陽表面的氣體很熱,其中熱運動速度較快的原子的速度已超過了太陽表面的逃逸速度,這就是太陽風的起因,若太陽是反物質恆星,太陽風就由反原子組成,它吹到行星上,就會和行星的正原子相湮滅。於是正物質組成的行星會逐漸消失掉,這種消失過程沒有發生,就證明了整個太陽系中沒有反物質天體。這樣,如果要存在反物質天體,它至少應在太陽系之外。
1979年,美國科學家把一個有60層樓高的巨大氣球放到離地面35公里的高空,氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器,結果,它在高空獵取了28個反質子。這是在地球以外第一次發現的反物質。除此之外,還在星際空間發現了反物質流 把眼光放遠到整個銀河系,要問的是:在這個由千億個恆星構成的系統中,會有一部分是反恆星嗎?今天人們也已能肯定地回答:不會有。我們從地面上能接收到太空中飛行的宇宙射線。觀測統計表明,宇宙射線粒子中反質子僅是質子的萬分之幾,並且這少量的反質子是高能粒子碰撞的次級產物,而不是原始的,此外宇宙射線中有很少的α粒子(即氦核),但是反α粒子卻一個也沒有發現過,這些事實說明原初的宇宙射線是由正物質組成的。如果銀河系中有反物質恆星,那么宇宙射線粒子將與它碰撞而發生湮滅。湮滅產生的π0介子將很快衰變而成γ光子。因此這種湮滅過程是能夠通過γ射線的觀測來發現的。正是沒能找到湮滅過程所放出的很有特徵性的γ光子,使人們知道,銀河系中並沒有反恆星的存在,整個銀河系都是由正物質組成的。
我們的宇宙是由大量星系構成的。若在遠處有反物質組成的星系,原則上也能用同樣的道理來發現。星系之間並不是真空,而是瀰漫著很稀薄的氣體。因此,若既有正物質星系又有反物質星系,那么正反物質必會相遇,相遇處必會有湮滅過程發生。人們著意地尋找了相應的γ射線,而沒有找到過。於是得出結論:在三千萬光年的範圍內不會有巨大的反物質星系存在。若在更遠的地方有這種湮滅發生,由於它的信號太弱而沒有被發現是不能排除的。所以上述結論是今天的觀測能力所能給出的回答。
在這樣的結果面前,人們的看法分成了兩種。一種認為宇宙中正反物質應當是等量的,需要的是從更遠處去尋找反物質星系存在的證據。另一種認為事實已暗示,宇宙中沒有大量的反物質存在,需要的是從宇宙的演化中去尋找造成今天沒有反物質的原因。
主流的觀點似乎已經在尋找造成今天的宇宙中沒有大量的沒有反物質的原因。Omne等經討論過物質及反物質的分離機制。他的結論是,只有在宇宙的早期,例如年齡t<10^-8秒時,才可能存在有效的分離過程。然而,當t<10^-8秒時,宇宙視界中的物質含量小於10^-6MO。也就是說,該時所形成的分離區的尺度不會大於10^-6MO。這樣,為了與現今的觀測相符,我們還必須尋找由小區併合成大區的機制。如果要求從10^-6MO的小區變成10^15M0的大區,這需要10^21個小區併合為一才行。而且,在併合期間又要求物質區只與物質區併合,物質區與反物質區之間很少併合,否則將明顯地改變微波背景輻射以及早期的核素生成。實際上我們找不到能滿足這種奇特要求的併合過程。所以,合理的推論應當是;現今的整個字宙中不存在或極少存在反物質。
另外一個問題是:“黑洞”究竟是由正物質組成呢?還是由反物質組成?很明顯,由於事件視界的遮蓋,黑洞的物質構成我們無法探究,但由於黑洞的形成過程是已知的——大多由恆星坍縮形成,而我們周圍的恆星沒有由反物質構成的,在黑洞坍縮過程中不存在大規模物質、反物質的變化(由於坍縮過程中的高能反應會產生少許反物質),所以可以推斷我們觀測到的疑似黑洞的天體是由物質構成的。

尋找過程

1998年的夏天,美國宇航局把阿爾法磁譜儀送上了太空。它的主要目標之一是尋找宇宙射線中的反原子核。由於我國參與了這項研究,因此新聞媒體曾熱心地宣傳過它。美國著名華裔科學家丁肇中也正致力於此。
如果相信宇宙中有等量的物質和反物質,那么在三千萬光年之外應有大範圍的反星系區存在。在那裡,原始的宇宙射線應是由反質子和反α粒子組成的。那裡的部分宇宙射線粒子會飛進我們這個由正物質構成的區域。由於星系際大部分地方很空曠,氣體的密度約只有每立方米一個質子的質量。因此反原子核可自由地飛行很長的距離。這樣,放置在地球大氣層之外的磁譜儀就能接收到它。這就是阿爾法磁譜儀計畫的基本想法。
上面已提到,實際測到的並不只是原始的射線粒子,它也包含由中途碰撞產生的次級粒子。因此當我們從宇宙射線中發現了反質子,它並不說明遠處一定有反物質天體區存在。這些反質子完全可能是次級產生的。反原子核就不一樣。它是由若干個反核子結合而成的複合體,所以不可能是碰撞產生的次級粒子。因此,如果能從宇宙射線中觀測到那怕只有一個反α粒子,它將是有力的證據,表明遠處有反物質天體存在。阿爾法磁譜儀能同時準確地測定飛入儀器的粒子的質量和電荷。當太空中有反α粒子飛入磁譜儀,它是容易被分辨出來的。這正是設計者所期望的事。現在阿爾法磁譜儀升空已有一年了,它接收到的信息正在陸續送回,其結果無疑非常令人關注。
若阿爾法磁譜儀的觀測證實了遠處有巨大的反物質區存在,那它肯定是一個里程碑式的成果。它的意義遠不僅是證實了宇宙中有反物質天體,更重要的是它對物理學提出了嚴峻的挑戰。在早期宇宙中,正反粒子必是混合的。按現有的物理理論,沒有一種己知的作用力能使它們發生大範圍的分離。因此,如果觀測證實遠處確有已被分離出去的大量反物質,物理學將需要突破性的變化。
宇宙中果真存在神秘的反物質,它們在哪裡?記者昨天從中科院高能物理所了解到,為解開這個世紀之謎,中國和義大利在西藏海拔4300米的羊八井地區,將建成世界上第一個1萬平方米“地毯”式粒子探測陣列實驗站,用以接收來自宇宙的高能射線和反物質粒子。 
據高能物理所天體宇宙實驗室研究員盧紅博士介紹,宇宙高能射線是人類能獲得的惟一來自太陽系以外的物質樣本。長期以來,它一直是科學家探索宇宙奧秘的研究對象。自從宇宙大爆炸理論出現後,科學家又一直致力於從宇宙射線中找到猜想中的神秘的反物質。但迄今為止,科學家們都未能找到反物質的蹤跡。 
據了解,中國和日本科學家早在十年前已在羊八井地區設定了分散的外觀如蜂箱的粒子探測器,開展了宇宙射線的研究。先後接收到了正電子、μ子、л介子等高能粒子。而改建新的“地毯”式探測陣列,除了面積更大,還由於它是由玻璃板一樣的方形平板組成,可以像鋪地毯一樣拼接而幾乎沒有縫隙,彌補了過去間距過大,丟失信息的缺點。

發現歷程

歐洲核子研究中心的科學家們在歐洲當地時間的2010年11月17日表示,通過大型強子對撞機,他們已經俘獲了少量的“反物質”。當然,這些“反物質”只是少量的反氫原子而已,但這一發現也是引發了科學家極大的反響。 
位於日內瓦的歐洲核子研究中心一直以來也在為破解這一難題而不懈的努力。歐洲核子研究中心擁有世界上能量最高的粒子對撞機——大型強子對撞機,這一對撞機的使命就是探究宇宙的起源,尋找那些未經證實的可能存在的物理現象。 
在17日研究人員宣布,在經過了不懈的努力之後,大型強子對撞機終於發現了幾十個氫原子的‘反物質’。羅布湯普森教授表示:“儘管發現的只是反物質的冰山一角,但這毫不影響這一發現的重要性,這是一次重大的突破,有利於我們更好的了解宇宙的性質和起源”。 
羅布湯普森教授說的沒錯,反物質的發現將會引領人類的變革,使得人類的星際旅行之夢將成為現實。此前在大量的科幻小說中,用於星際旅行的飛船都是以反物質作為燃料的。舉個最簡單的例子,如果想把人類送上火星,那需要千萬噸以上的化學原料,而如果是以反物質為燃料的話,僅需要幾十毫克,同時時間也大為縮短,只需要6周的時間就可以到達。 
這項新的研究將會發表在《自然》雜誌上,同時還包括了歐洲核子研究中心專家在此過程中所起到的舉足輕重的作用,以及探討究竟這些科學發現者扮演者天使還是魔鬼的角色。來自英國的斯旺西大學的查爾頓教授最後對於這一發現做了自己的論述:“現在的宇宙基本是由普通物質所壟斷,但我們必須要了解宇宙的全貌,否則我們可能身處危險之中卻全然不知,氫是宇宙中最重要的元素,發現它的反物質,具有非凡的意義。”
英國《自然》雜誌網站17日刊登研究報告說,歐洲核子研究中心(CERN)的科學家成功製造出多個反氫原子,並利用磁場使其存在了“較長時間”。這是科學家首次成功“抓住”反物質原子。
氫原子是只有一個質子和一個電子的最簡單的原子。實際上,歐洲核子研究中心早在1995年就第一次製造出了反氫原子,但只能存在幾個微秒的時間,就與周圍環境中的正氫原子相碰並湮滅。此次的突破之處在於,製造出數個反氫原子後,藉助特殊的磁場首次成功地使其存在了“較長時間”——約0.17秒。
這個時間聽起來似乎仍然很短,但對於科學家來說,這個時間長度已十分難得,可以對反氫原子進行較為深入的觀測和分析。因此,這一成果被看作是物理學領域的一大突破,將大大推動有關反物質的研究。
現在,大型強子對撞機要對撞1千年才能夠對撞出一微克反物質。

前景預測

2008年11月17日有媒體報導:今年九月,美國格林空軍基地“革命性彈藥”研發小組的負責人肯尼斯·愛德華茲,突然現身美國五角大樓,向美軍高官匯報他的最新研究成果。肯尼斯·愛德華茲說:“我們在反物質武器的研究上已獲得重大突破——我們成功研發了一種能長期有效儲存反物質的容器,這意味著反物質的軍事用途即將成為現實!” 
反物質是英國科學家狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)於1928年根據推測出來的,1933年12月12日,他因此獲得諾貝爾物理學獎金。狄拉克注意到,在相對論方程和量子電動力學的方程中,質量都是成平方出現的,那就是說m2=(m)(m)=(-m)(-m)[相對論:W2/C2-PR2-m2C2=0和量子力學理論:[W2/C2-PR2-m2C2]Ψ=0],那么這個負質量是什麼意思呢?於是反物質就被狄拉克這樣輕鬆地從理論上推導出來了。由此看來,諾貝爾獎有時候就是如此簡單,只是我們都視而不見或膽量不夠,因為狄拉克為此也曾一度被眾多科學家們譏諷為瘋子。現在,組成物質的12種基本粒子的全部反粒子都已經被科學家在加速器中找到。美國實驗物理學家丁肇中領導的阿爾法磁譜儀----AMS被送到太空,就是為了尋找太空中的反物質以及由反物質組成的宇宙。因為反物質和物質相遇就會湮滅,所以反物質無法在自然界找到,必須要到太空深處去尋找。位於法國和瑞士邊界,耗資80億美元,由2000多名物理學家花費14年時間建造的大型強子對撞機---(LHC),已經在2008年9月10日首次運行,用來探索反物質和宇宙大爆炸開始後萬億分之一秒內宇宙中物質的組成。根據宇宙大爆炸理論,爆炸形成的物質和反物質應該是對稱的,可是我們的宇宙中物質和反物質卻是不對稱的。否則它們相互湮滅,也就不會有你我以及這宇宙和宇宙中的一切了。那么與我們的宇宙物質對稱的反物質哪兒去了呢?1977年科學家們發現在銀河系中心附近有一個可能的反物質源。如果那個地方真的存在,就意味著存在天然的反物質,也意味著人類直接從天然得到反物質的可能性,同時物質與反物質之間的萬有斥力,也可以幫助我們解釋為什麼我們的宇宙在加速膨脹。1979年,美國科學家把一個有60層樓高的巨大氣球放到離地面35公里的高空,氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器,結果,它在高空獵取了28個反質子。這是在地球以外第一次發現的反物質。物質和反物質在湮滅時會產生巨大的能量,並且不會像核彈那樣產生放射線污染,所以被認為是一種最理想的清潔能源。但是科學往往都是一把雙刃劍,可以造福人類,當然也可以給人類帶來巨大的災難。由幾克反物質製造的炸彈就能毀滅地球,1克反物質產生的能量,就足以為23架太空梭提供動力。反物質的套用,可以從根本上改變能源供應的模式,將會是一場能源革命。但是由於目前是由加速器產生的高能粒子打擊固定靶產生反粒子,再經減速合成的,此過程所需要的能量遠大於湮滅作用所放出的能量,且生成反物質的速率極低,生產一千億分之一克的反物質,需要耗資近60億美元,因此尚不具有經濟和套用價值
前不久,一個由日本和美國科學家組成的研究小組,計畫從今年開始在南極上空放飛氣球,捕捉反物質天體釋放出的反粒子,尋找反物質天體如友星系存在的證據.目標是觀測低能反質子和反氦原子核。自1933年以來,日美研究小組曾在加拿大用氣球進行觀測,該地區受地球磁場和大氣影響小.但為了不讓氣球飛跑,必須當天回收。而在南極上空,氣球可持續飛行兩周,觀測數據能大幅度增加。
目前,人們發現和製造的反物質粒子雖然不多,但正電子作為反物質的一種形式,已經有了許多實際用途。例如,正電子發射X射線層析照相術(PET),醫生利用PET掃描不僅能得出病人軟組織的詳細圖像,而且能夠觀察他們體內的化學過程,其中包括在進行認識活動時大腦各部分消耗“燃料”的速度。
反物質能潛在且十分誘人的用途是用來製造星際航行火箭的超級燃料。將氫和反氫混合湮滅來獲得能量,這種燃料的0.01克所產生的推力相當於120噸由液態氫和液態氧組成的傳統燃料(B)。此外,利用反物質能進行星際旅行,還可以減少攜帶燃料的質量,進一步提高飛行器的飛行速度。

成功產生

2016年中國科學院上海光機所強場雷射物理國家重點實驗室近日利用超強超短雷射,成功產生反物質——超快正電子源,這一發現將在材料的無損探測、雷射驅動正負電子對撞機、癌症診斷等領域具有重大套用。相關研究成果已於發表在《電漿物理》雜誌上。

物理學

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