反物质
| 反物質 | |
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| 湮灭 | |
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名人
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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构成的。例如一顆反質子和一顆反電子〈正電子〉能形成一個反氫原子，如同電子和質子形成一般物質的氫原子。此外，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（伽瑪射線）或是其他能量較低的正反粒子對。正反物質湮滅所造成的粒子，賦予的動能等同於原始正反物質對的動能，加上原物質靜止質量與生成粒子靜質量的差，後者通常佔大部分。（愛因斯坦相對論指出，質量與能量是等價的。）
反物質無法在自然界找到，除非是在稍縱即逝的少量存在（例如因放射衰變或宇宙射線等現象）。這是由於反物質若非存在於像物理實驗室的人工環境下，則無可避免地隨即與自然界的物質發生碰觸並湮滅。反粒子和一些穩定的反物質（例如反氫）可以人工製造出極少量，但卻不足以達到可對這些物質驗證其理論性的程度。
在科學與科幻領域，都有很大的疑問關於為何所見的宇宙很明顯地幾乎充滿了物質、是否有其他地方幾乎充滿了反物質，以及是否能夠駕馭反物質，但在現今可見的宇宙範圍中，明顯的正反物質不對稱性成了物理的最大難題之一。許多可能的物理過程都是在探究重子時所發現。
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[编辑] 歷史
1927年12月，英国物理学家保罗·狄拉克提出了電子的相對論方程式，即狄拉克方程[1]。有趣的是，等式中發現除了一般正能量之外的負能量結果。這顯示出一個問題，當電子趨向於朝著最低可能的能階躍遷時；負無限大的能量是毫無意義的。但為了要彌補這條件，狄拉克提出真空狀態中是充滿了負能量電子的「海」，稱作狄拉克之海。任何真實的電子因此會填補這些海中具有正能量的部分。
衍伸這個想法，狄拉克發現海中的這些「洞」則具有正電荷。起初他認為這是質子，但Hermann Weyl指出這些洞應該是具有和電子相同的質量。1932年由美国物理学家卡尔·安德森在實驗中證實了正电子的存在。在此期間，反物質有時也常被稱作「反地物質」。雖然狄拉克自己沒有使用反物質這個術語，但是後來的科學家將反質子等粒子稱呼為反物質[2]。完整的反物質元素週期表由查爾斯·珍妮特（Charles Janet）於1929年完成[3]。
[编辑] 性質
反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子。
反物质和物质一旦相遇，就相互吸引、碰撞而100%转化为光并释放出的巨大的能量，这个过程叫做湮灭。湮灭过程会释放出正、反物质中蕴涵的所有静质量能，根据爱因斯坦著名的质能关系式──E=mc²，一种在科学界受到普遍认同的理论认为，宇宙大爆炸早期曾产生了数量相当的物质和反物质，随后发生的物质和反物质的湮灭消耗掉了绝大部分的正、反物质，遗留下的少部分正物质构成了现如今的物质世界。理論上宇宙大爆炸時所產生的粒子與反粒子應該數量相同，但是为什么現今所遺留下來的絕大多數都是正粒子，這即所谓的“正反物质对称性破壞”(對稱破缺)，雖然在幾個粒子对撞试验中，都發現了正粒子與反粒子的衰變略有不同，及所謂的電荷宇稱不守恆(CP破壞)，但在數量上仍不足以解釋為何現今反物質消失的問題，這在粒子物理学上仍是一大未解决的问题。
尽管在人们已经在实验室中制造出了为数众多的反原子，然而目前在自然界中尚没有发现反物质。一种观点认为即使自然界中存在反物质，它也很快会和正物质发生湮灭。
[编辑] 應用
因為物質與反物質的湮滅時質量可完全轉換成能量，帶來最大的能源效率，且單位產量是核能的千百倍或常規燃料的億兆倍，所以一直有人研究其作為新能源的可行性，主要用於很難補給燃料的航太用，甚至作為反物質武器。但是由於目前人為製造反物質的方式，是由加速粒子打擊固定靶產生反粒子，再減速合成的。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，因此尚不具有經濟價值。此外，反物质与物质相遇会发生湮灭，保存上也是一大問題。
[编辑] 參考資料
- ^ P. A. M. Dirac. The Quantum Theory of the Electron. Proceedings of the Royal Society of London: Series A. 1928, 117 (778): 610–624. doi:10.1098/rspa.1928.0023. Bibcode: 1928RSPSA.117..610D.
- ^ M. Kaku, J. T. Thompson. Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe. Oxford University Press. 1997: 179–180. ISBN 0-19-286196-4.
- ^ P. J. Stewart. Charles Janet: Unrecognized genius of the periodic system. Foundations of Chemistry. 2010, 12 (1): 5–15. doi:10.1007/s10698-008-9062-5.
[编辑] 延伸閱讀
- G. Fraser. Antimatter, The Ultimate Mirror. Cambridge University Press. 2000. ISBN 978-0-521-65252-0.
[编辑] 外部連結
- Freeview Video 'Antimatter' by the Vega Science Trust and the BBC/OU
- CERN Webcasts (RealPlayer required)
- What is Antimatter? (from the Frequently Asked Questions at the Center for Antimatter-Matter Studies)
- FAQ from CERN with lots of information about antimatter aimed at the general reader, posted in response to antimatter's fictional portrayal in Angels & Demons
- What is direct CP-violation?
- Animated illustration of antihydrogen production at CERN from the Exploratorium.
