| 词条 | 反物质 |
| 释义 | § 概述 1997年4月，美国天文学家宣布他们在宇宙中发现一个高达2940光年的“反物质喷泉”。 反物质就是由反粒子组成的物质。所有的粒子都有反粒子，这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数与之相反。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。由反原子构成的物质就是反物质。 反物质正是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。例如，氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成。物质和反物质相遇后会湮灭，释放出大量能量。反物质无法在自然界找到，除非是在稍纵即逝的少量存在（例如因放射衰变或宇宙射线等现象）。这是由于反物质若非存在于像物理实验室的人工环境下，则无可避免地随即与自然界的物质发生碰触并湮灭。反粒子和一些稳定的反物质（例如反氢）可以人工制造出极少量，但却不足以达到可对这些物质验证其理论性的程度。 科学家认为，宇宙诞生之初曾经产生了等量的物质与反物质。后来，由于某种原因，大部分反物质转化为物质。再加上有的反物质难于被观测，所以，在人们看来当今世界主要是由物质组成。一些科学家提出，宇宙中存在由反物质构成的反星系，反星系周围存在微小的黑洞群。在衰亡时会放出低能反质子和反氦原子核。因此，观测宇宙射线中的反质子和反氦原子核，可以为反物质天体的存在提供证据。 欧洲航天局的伽马射线天文观测台，证实了宇宙间反物质的存在。他们对宇宙中央的一个区域进行了认真的观测分析。发现这个区域聚集着大量的反物质。此外，伽马射线天文观测台还证明，这些反物质来源很多，它不是聚集在某个确定的点周围，而是广布于宇宙空间。 § 研究历史 正『反』粒子-疊加圖 反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在20世纪30年代预言，每一种离子镀应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反。 1927年12月，英国物理学家保罗·狄拉克提出了电子的相对论方程式，即狄拉克方程。有趣的是，等式中发现除了一般正能量之外的负能量结果。这显示出一个问题，当电子趋向于朝着最低可能的能阶跃迁时；负无限大的能量是毫无意义的。但为了要弥补这条件，狄拉克提出真空状态中是充满了负能量电子的“海”，称作狄拉克之海。任何真实的电子因此会填补这些海中具有正能量的部分。衍伸这个想法，狄拉克发现海中的这些“洞”则具有正电荷。起初他认为这是质子，但Hermann Weyl指出这些洞应该是具有和电子相同的质量。 1932年美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。在此期间，反物质有时也常被称作“反地物质”。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。 中国的反物质研究所始于20世纪80年代初，由世界著名的核物理学家赵忠尧担任技术顾问，因此西方称他为“中国反物质武器之父”。外界认为，赵忠尧是史上第一个发现反物质的物理学家。 § 性质 反中子圖 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。 理论上宇宙大爆炸时所产生的粒子与反粒子应该数量相同，但是为什么现今所遗留下来的绝大多数都是正粒子，这即所谓的“正反物质对称性破坏”（对称破缺），虽然在几个粒子对撞试验中，都发现了正粒子与反粒子的衰变略有不同，及所谓的电荷宇称不守恒（CP破坏），但在数量上仍不足以解释为何现今反物质消失的问题，这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。 § 湮灭能量 1999年7月24日的太阳环状喷射产生了反物质 反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生巨大爆炸，并产生巨大能量。能量释放率要远高于氢弹爆炸。 日美研究小组曾在加拿大用气球进行观测，捕捉反物质天体释放出的反粒子，寻找反物质天体如反星系存在的证据。该地区受地球磁场和大气影响很小，但为了不让气球飞跑，必须当天回收。而在南极上空，气球可持续飞行两周，观测数据能大幅度增加。人们发现和制造的反物质粒子虽然不多，但正电子作为反物质的一种形式美已经有了许多实际用途，例如，正电子发射X射线层析照相术（PET），医生利用它对人体进行扫描，不仅能得出病人软组织的详细图像，而且能够观察人们体内的化学过程以及在进行认识活动时大脑各部分消耗“燃料”的速度。 § 大事记 反物质发动机概念图 1995年欧洲核子研究中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质——反氢原子。1996年，美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子。 1997年4月，美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现，在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的“反物质喷泉”。 1998年6月2日，美国发现号航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空。阿尔法磁谱仪是专门设计用来寻找宇宙中的反物质的仪器。然而这次飞行并没有发现反物质，但采集了大量富有价值的数据。 2000年9月18日，欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子，这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。 2010年11月17日，欧洲核子研究中心(CERN)科学家宣布，在最新实验中首次成功捕获反物质，取得了重大的物理学突破。科学家表示他们首次捕获了存在于现实世界的反物质样本。一个由英国和其他国家物理学家组成的科研小组在一项惊人的科学突破中，在实验室中瞬间“捕捉”了38个反氢原子。[1]美科学家观察到迄今最重反物质反氦-4 2011年3月23日（北京时间）美国物理学家组织网报道，美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机国际合作组的科学家，首次观察到了新型反物质反氦-4，这是迄今科学家观察到的最重反物质。高能对撞能形成夸克胶子等离子体，这种炽热、稠密的物质包含数量大致相当的夸克和反夸克粒子。夸克胶子等离子体逐渐冷却后会变成一种强子气体并产生质子、中子和它们的反粒子。科学家们在金核相互对撞10亿次后形成的强子气体中共观察到了18个反氦-4，证明反氦-4确实存在，其包含4个反物质粒子：2个反质子和2个反中子。 科学家指出，反氦-4很可能是迄今观察到的最重的反物质，并预测下一个可能会“现身”的更重反物质将是反锂-6。[2] 2011年6月7日，欧洲核子研究组织的科学家成功长时间储存反物质，储存时间达到创纪录的16分钟。[3] 2011年12月中旬，美国国家航空航天局(NASA)的费米伽马射线天文望远镜以数据证实了宇宙存在着过量的反物质。本次结果是在 2008年PAMELA(反物质探测和轻核天体物理载荷)卫星捕捉的一次非同寻常的反物质信号的基础上完成的。天文学家评价称，其不啻为一项物理学领域的重要发现，亦是天文观测的一大壮举。同时，因该结果背后的研究原理，亦有极大可能确认了此信号对于暗物质的意义，并将作为一个罕见的暗物质标志，进一步揭示暗物质的本质。[4] § 应用 美国宇航局设想的一种反物质动力火箭 因为物质与反物质的湮灭时质量可完全转换成能量，带来最大的能源效率，且单位产量是核能的千百倍或常规燃料的亿兆倍，所以一直有人研究其作为新能源的可行性，主要用于在太空很难补给燃料的航天用，甚至作为反物质武器。 制造反物质武器 反物质是一种致命武器，威力强大，不可阻挡。有人提出，人类可能有朝一日利用反物质的破坏力去摧毁整个世界。 清洁能源 有人又希望将反物质作为一种清洁、绿色能源进行开发。2007年，美国加州大学河滨分校两位物理学家戴维·卡西迪(David Cassidy)和艾伦·米尔斯制造出由至少一个电子偶素原子构成的第一个分子。电子偶素原子很快湮灭变成高能伽马射线，所以，如果将大量电子偶素原子结合，也许这能够令其湮灭，同时释放出光线，造出巨大的高能“伽马射线湮没激光器”，可被用于对小到原子核这样的物体拍照，或引发核反应堆中的核聚变。[5] |
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