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跟胖哥学物理人造反物质

(2019-03-03 17:44:58)
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杂谈

分类: 生活中的物理
跟胖哥学物理人造反物质

          我们都知道构成物质的分子是由原子构成的,而原子又是有原子核内质子中子和核外电子构成。由于质子带的正电和核外电子带的负电相等,因此整个原子不带电。
        但是质子有质量比电子大了不知多少倍,形成强烈的质量不对称性。科学家认为他们两个的构成截然不同。我们应该看到另一个粒子具有相同量的符号的电子相反存在的。例如,质子相同质量的颗粒,但还存在着一个,另一个粒子携带有一个负电荷,而相同的电子相同质量的带正电荷,这时候就诞生了反物质的概念。
       反物质这个概念提出,著名的物理学家狄拉克在1928提出了这样一个想法:在自然界中,随着电子的发现,有带负电的电子和电荷是正的正电子。后来在核物理研究中,发现太阳的核聚变反应里氢原子在超高温下就是聚合成氦原子和一个正电子。
        1932年,美国物理学家安德森发现并研究了来自遥远太空的宇宙射线。在研究过程中,他是唯一的发现粒子的几率弯曲和粒子的相反方向、质量、电力、电子的磁场,并且研究了在同一个条件下正电子的排名。这一发现人们渐渐支持狄拉克所研究的方向,支持他的人需要投入研究来寻找反物质粒子的工作,极大地影响了研究人员的热情。
        1957年观察到反氘,在1978年8月,欧洲物理学家成功地分离出了一些抗质子,然后成功地保存这些抗质子。1979年,美国新墨西哥大学,从地面计算35公里的试验高度,科学家将装满氮气的打气球从60层楼高度大小的高空气球飞行了828小时后,反质子被捕获。
        后来,科学家们发现了人类已经发现了300多种粒子了。到了现在,科学家才知道并不是每个粒子都有反粒子。有些粒子的反粒子就是自己,科学家把这些粒子叫做天使粒子。
        更重要的是,既然绝大多数粒子都有反粒子,那么有没有有反粒子构成的物质呢?反原子来自正电子和这些反核的组合。在1996年1月,反质核研究中心及人造合成设备中心,宣布由氡原子和抗中子获得的德国物理奥勒特亨利第一抗原的11子。
        不过人类在发现和制造反物质过程中并不容易。当年犹拉克在提出反物质时,还说到一种现象:当物质和反物质相遇时,它们会相互吸引,碰撞并“消灭”。这些能量以伽马射线的形式出现,每个射线消失并释放出大量能量。后来随着科学进步,科学通过实验也证明了1克反物质产生的能量,可以与原子弹爆炸的威力相媲美,因而它是有着巨大潜力的新能源。于是,制造和发现反物质更是世界各国发展重点。
        自然界中有没有反物质存在,一直是人们关注问题。其实,科学家们通过卫星发现,在位于南美洲东侧南大西洋的“南大西洋辐射异常区”,这里的辐射强度只有正常辐射区的一半。卫星能够探测到浓度很高的反质子粒子聚集区。这些反质子粒子像宇宙射线粒子一样被困在了地球磁场中,在距离地面一定高度的高空,空气密度已经非常稀薄,那里的反物质粒子与正常粒子湮灭的损失会比较小,从而可以在范艾伦辐射带中出现一个反物质带。
        还有一些科学家们认为,宇宙诞生时产生了大体相等的物质和反物质,那么现在这些反物质到哪里去了?一种说法是,在宇宙的某些地方存在着由反物质组成的星系。还有一种说法是,宇宙诞生时产生的物质比反物质多了一点,物质与反物质相互湮灭后,剩下的物质就构成了现在的宇宙。
        但是,反物质储存是一个问题,否则他就会防止它湮灭。目前有两种方法。一个是彭宁陷阱。说穿了它就是一种微型的粒子加速器,在其内部,反物质粒子沿环形管道不停地做旋转运动,同时磁场和电场将它们囚禁在真空中,使之免于碰到装置的“墙壁”而湮灭。但是,彭宁陷阱无法囚禁中性反物质粒子,比如反氢原子,因为反氢原子没有电荷,无法被电场限制起来,因此彭宁陷阱无法发挥作用。
         还有一种叫约费陷阱”,它可以创造一种沿任意方向磁场都会增大的空间。粒子会被困在约费陷阱中磁场最弱的那一点,就好像珠子只能在碗的底部滚来滚去一样。
        目前在实验室中制造正电子、负质子等反基本粒子已经不难,而将正电子与负质子组成反原子却十分困难,因为将这两种粒子结合在一起并且能证实它们结合成反原子的工作十分复杂,而这种工作,只能依靠反质子减速器才能完成。
        粒子减速器跟粒子加速器完全相反,通过一定方法让反质子越转越慢,减速器可以利用磁场将高能反质子减速成速度约为光速十分之一的反质子。有了减速器,反质子进行大量实验,比如用磁场对反质子进行约束,或将反质子与正电子结合成为反氢原子。原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成的,如果由带正电的电子与带负电的原子核组成原子,那么就是反原子,由反原子就可组成反物质。
其实道路说起来简单,但是真正要来制造反物质确实想到困难。到目前为之,基本还是人造了一些粒子。即使这样得到反粒子也是少得惊人。到目前为止,制造反物质都是以毫克作为单位的(1毫微克=10-9克)。
        美国最大的高能物理研究实验室——费米实验室,这里拥有目前世界上能量输出最高的粒子加速器,也就是著名的Tevatron质子/反质子加速器,它能将质子加速到接近光速。迄今为止,这个加速器创造出的所有反质子加起来只有不到15毫微克。而世界上最大的粒子物理研究中心——欧洲粒子物理研究所创造出的所有反物质只有1毫微克。在德国汉堡的德国电子同步加速器,至今大约只有2毫微克的正电子。
        虽然人类还没有完全掌握反物质生产方法,但是人类对反物质应用研究确实开展如火如荼,比如利用中国利用正负电子相撞产生热量和剧烈光芒让人类看到利用这种能量希望。同同时,科学家还在探究正反物质更广阔运用。
        在医学领域,欧洲科学家在尝试用反质子来治疗癌症实验,因此刚刚开始还没有太大气色。但是PET技术,已经进入各家医院成为检查一种手段。PET就是正电子发射断层显像术它用正电子产生人体高分辨率的图像。一些人体中新陈代谢必需的物质,比如葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸,它们可以标记上能够释放正电子的放射性同位素(比如香蕉中的钾-40),注入人体。在人体内的不同组织中,放射性元素释放的正电子和电子湮灭,可以产生用于构造图像的伽马射线。一些容易患病的高代谢的恶性肿瘤组织中,葡萄糖代谢旺盛,因此正电子聚集会较多,这些组织的特点就能够更详尽地通过图像反映出来。
        随着更多国家的减速粒子加速器实验室建立,一些关键技术突破,在不久将来可能人类人造反物质会迅速增加,同时更多应用会被挖掘出来,即使能量利用就是一个很广阔前景!
2019年3月4日于宜昌尚书巷弄石斋

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