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反物質

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粒子物理學裡,反物質(英語:antimatter)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。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。

科學科幻領域,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。

歷史[編輯]

反物質

1927年12月,英國物理學家保羅·狄拉克提出了電子相對論方程式,即狄拉克方程式[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,但赫爾曼·外爾指出這些洞應該是具有和電子相同的質量。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。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查爾斯·珍妮特(Charles Janet)於1929年完成[3]

性質[編輯]

反質子反中子反電子如果像質子中子電子那樣結合起來就形成了反原子

反物質和物質一旦相遇,就相互吸引、碰撞而100%轉化為光並釋放出的巨大的能量,這個過程叫做湮滅湮滅過程會釋放出正、反物質中蘊涵的所有靜質量能,根據愛因斯坦著名的質能關係式──E=mc²,一種在科學界受到普遍認同的理論認為,宇宙大爆炸早期曾產生了數量相當的物質和反物質,隨後發生的物質和反物質的湮滅消耗掉了絕大部分的正、反物質,遺留下的少部分正物質構成了現如今的物質世界。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,但是為什麼現今所遺留下來的絕大多數都是正粒子,這即所謂的「正反物質對稱性破壞」(對稱破缺),雖然在幾個粒子對撞試驗中,都發現了正粒子與反粒子的衰變略有不同,即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,這在粒子物理學上仍是一大未解決的問題。

儘管在人們已經在實驗室中製造出了為數眾多的反原子,然而目前在自然界中尚沒有發現反物質。一種觀點認為即使自然界中存在反物質,它也很快會和正物質發生湮滅。

時光倒流[編輯]

費曼曾經研究狄拉克方程式而發現,假如將時間方向逆轉同時將電子電荷顛倒,則方程式依然成立。即是說,一粒時光順流的電子,其實等同一粒時光倒流反電子。因此所謂的反物質,其實就是倒著時間方向的正物質[4],是為CPT對稱

縱使如此,反物質的運動,並不違反因果律。當電磁波超前波延遲波相加時,違反因果律的項次會互相抵消。如果沒有了反物質,因果律反而會瓦解[5]

費曼和他的老師惠勒進一步假設,整個宇宙其實也許只是相同一粒電子在時間軸中從大霹靂到宇宙末日之間來來回回地走動,這也是為何所有電子彼此之間毫無分別[6]

應用[編輯]

想像中用反物質當燃料的反物質火箭英語antimatter rocket

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,反物質與物質相遇會發生湮滅,保存上也是一大問題。

參考資料[編輯]

  1. ^ P. A. M. Dirac. The Quantum Theory of the Electron. Proceedings of the Royal Society of London: Series A. 1928, 117 (778): 610–624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D. JSTOR 94981. doi:10.1098/rspa.1928.0023. 
  2. ^ 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. 
  3. ^ 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. 
  4. ^ 加來道雄 《電影中不可能的物理學》,世茂出版社 (2009): P. 345 - 346.
  5. ^ 加來道雄 《電影中不可能的物理學》,世茂出版社 (2009): P. 348.
  6. ^ 加來道雄 《電影中不可能的物理學》,世茂出版社 (2009): P. 347.

延伸閱讀[編輯]

外部連結[編輯]