关于反物质的十件事：人体也会释放反物质

人体也会释放反物质

关于反物质你可能不知道的十件事

电影《星际迷航》中的反物质星际飞船企业

中微子或它们自己的反粒子

研究反物质被认为是揭开宇宙起源之谜的重要途径。

大型强子对撞机

反物质火箭假想地图

本报记者刘霞综合外国新闻

除了我们共同的物质，反物质仍然存在于宇宙中。自从英国物理学家保罗·狄拉克在1928年预言反物质的存在以来，反物质一直是科学家眼中的“烫手山芋”。科学家认为反物质研究在高能物理和宇宙演化中具有重要意义，深入研究反物质是解开宇宙起源之谜的重要环节。

反物质在许多科幻小说中也是“标准”的。例如，在电影《达芬奇密码》的同伴《天使与魔鬼》中，一枚仅含0.25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去。电影《星际迷航》中的“企业号”宇宙飞船利用物质和反物质湮灭产生的强大推力来获得超光速飞行速度。

在粒子物理学中，反物质是由反粒子组成的特殊物质。反粒子与粒子质量相同，但电荷和自旋相反。这些反粒子结合形成反物质。例如，正电子(电子的反物质)和反质子可以形成反氢原子。

此外，反物质还有许多惊人的特性。由费米国家实验室和斯坦福线性加速器中心(SLAC)共同创建的《对称》杂志网站列出了10件我们可能不知道的反物质。

正负物质不对称

1928年，狄拉克预言了电子的反粒子——正电子的存在。

1932年，美国科学家卡尔·安德森在研究来自遥远空间的宇宙射线时意外发现了正电子，这证实了狄拉克的预测，并在科学界引起了震惊和轰动。它是偶然的还是普遍的？如果它是普遍的，所有其他粒子都有反粒子吗？因此，科学家在探索微观世界的研究中增加了另一个目标。

1936年，安德森因发现正电子而获得诺贝尔物理学奖。后来，其他基本粒子的反粒子也相继被发现。1955年，美国研究人员创造了第一个反质子，带负电荷的质子。

今天我们的宇宙中有大量由正粒子组成的物质，但是没有稳定的由反粒子组成的反物质，这表明宇宙中正反物质之间没有严格的对称性，否则所有的物质都将被湮灭。

宇宙起源的标准理论认为，在大爆炸开始时，物质和反物质成对或等量产生。当物质和反物质相遇时，它们相互湮灭，只留下能量。因此，理论上，我们不应该都存在，但事实并非如此。今天留下的绝大多数正粒子是所谓的正负物质的“对称性破缺”。尽管在几次粒子碰撞试验中发现正粒子和反粒子的衰变略有不同，但这个数量仍然不足以解释为什么反物质今天消失了。这仍然是粒子物理学中一个未解之谜，科学家们也提出了许多解释。

物理学家目前正在尽最大努力澄清这种不对称性。也许答案揭晓的那一天也将是天文学新时代的开始。

反物质比你想象的更靠近你。

少量反物质继续以宇宙射线和高能粒子的形式落在地球上。这些反物质粒子到达大气层的范围是每平方米1到100个。

但是其他反物质来源实际上就在附近。例如，香蕉也产生反物质——它每75分钟释放一个正电子。出现这种现象是因为香蕉含有少量的钾-40。钾-40是钾的天然同位素，在衰变过程中释放正电子。

人体也含有钾-40，这意味着人体也释放正电子。由于反物质一旦与物质接触就会相互湮灭，这些反物质粒子寿命非常短。

昂贵但无法实现

尽管物质-反物质湮灭有释放大量能量的潜力，但一克反物质可能产生核爆炸规模的爆炸，人类目前产生的反物质数量少得可怜。

1995年，欧洲核研究中心的科学家们在他们的实验室里创造了世界上第一个反物质——反氢原子。1996年，费米国家加速器实验室成功制造了7个反氢原子。2000年9月18日，欧洲核子研究中心成功地制造了大约50，000个低能态的反氢原子。这是人类第一次在实验室条件下产生大量反物质。2011年5月初，中国科技大学和美国科学家合作创造了反氦4，这是迄今为止最重的反物质粒子。

然而，迄今为止，费米实验室的太电子伏特加速器(Tevatron)产生的所有反质子加起来只有15毫微克(十亿分之一克)；欧洲粒子物理研究所产生的所有反质子加起来只有1毫微克。德国电子同步加速器(DESY)产生的正电子总量约为2毫微克。即使所有这些反物质同时湮灭，它们产生的能量也不足以烧开一杯水。

根本问题在于生产和储存反物质的效率和成本。目前，反物质是由加速器撞击固定目标产生的高能粒子产生的，产生反粒子，然后通过减速合成。这个过程所需的能量比湮灭释放的能量大得多，反物质产生的速度也极低:只有一克反物质需要大约25×1015千瓦小时的能量。因此，考虑到生产成本，反物质是世界上最昂贵的物质。

使用“陷阱”来保存反物质

反物质仍然难以捕捉和储存。因为反物质一遇到正物质就会湮灭并爆炸，所以我们不能用任何正物质制成的容器来储存它，我们必须为它们建造特殊的“家园”。

带电的反物质粒子，如正电子和反质子，可以储存在潘宁陷阱中。这些装置可以被视为小型加速器，依靠磁场和电场来阻止粒子与井壁碰撞，并使它们以螺旋形状运动。据报道，目前，美国宇航局和宾夕法尼亚州立大学的科学家已经能够在潘宁离子阱中储存1010个反质子一周。然而，潘宁离子阱对反氢原子没有影响，因为反氢原子没有电荷，不能被电场“锁定”。相反，它们被保存在通常被称为“Apwell”的地方。

事实上，地球的磁场类似于某种反物质陷阱。2011年，一个意大利科学小组利用宇宙射线探测器成功地在范艾伦辐射区发现了一个反质子区。现有区域距离地球表面350到600公里。这项研究证实了地球磁场可以“捕获”反质子的理论。

反物质可能会飞起来

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，重力对任何物质都有同样的影响。标准模型理论也预测重力对物质和反物质应该有相同的影响。那么重力会让反物质下落还是向上飞呢？如果反物质的行为完全不同，它们会颠覆现有的物理理论吗？欧洲核子研究中心正在进行的“宙斯盾”实验和“阿尔法”实验都试图找到这一点。

当然，观察重力对反物质的影响并不像看到苹果从树上掉下来那么容易。这些实验要求反物质被储存在一个陷阱里，或者通过冷却到绝对零度以上来减慢速度，以便更好地观察它。此外，因为重力是最弱的基本力，物理学家必须在这些实验中使用中性反物质粒子来防止强电场的干扰。

粒子减速器减缓反物质

我们很多人都熟悉粒子加速器，但是你知道仍然有粒子加速器吗？欧洲核子研究中心有一种叫做“反质子减速器”的装置。2000年8月10日，欧洲粒子物理研究所宣布这种反质子延迟器投入使用。

反质子减压器是一个圆形的混凝土盒子，周长188米，造价1150万美元。它利用磁场冷却、减速和积累高能反质子和正电子，最终在电磁场的约束下形成大量反氢原子。这些“冷”反氢原子的温度仅比绝对零度高几度，这使得将来研究反质子、反氢原子和其他粒子的特性和行为成为可能。

2014年，欧洲粒子物理研究所的“低速反质子原子光谱学和碰撞(ASACUSA)”实验小组首次成功地通过混合正电子和反质子还原剂产生的低能反质子产生了反质子束。他们探测到一束270米长的反物质束，由80个反氢原子组成。

中微子或它们自己的反粒子

物质粒子和它们的反粒子伙伴带着相反的电荷，这使得科学家很容易区分彼此。然而，中微子几乎没有质量，很少与其他物质相互作用，甚至没有电荷。因此，科学家认为中微子可能是梅昂纳费米子(与反粒子相同的粒子)。20世纪30年代，意大利物理学家埃托雷·马略纳提出中微子可以用作它们的反粒子。

研究中微子性质的马略纳探测器、EXO-200和美国的其他探测实验都旨在通过寻找一种称为无中微子双β衰变的行为来确定中微子是否是梅昂纳费米子。一些放射性原子核同时衰变，释放出两个电子和两个中微子。如果中微子是它们自己的反粒子，它们会在双重衰变后立即相互湮灭，科学家只能看到电子。

发现中微子可能有助于科学家解释反物质的不对称性。物理学家认为中微子既轻又重。目前，轻中微子存在，而重中微子只存在于大爆炸后的一瞬间。

反物质在医学领域“显示出高超的技术”

今天，反物质粒子如正电子还没有被发现，也没有大量产生，但这并不奇怪。虽然大量的反物质不能像科幻小说中描述的那样被制造和储存，但是反物质已经在较小的规模上被应用。例如，许多医院使用的正电子发射计算机断层扫描设备使用正电子产生身体的高清晰度图像。

放射正电子的放射性同位素(如香蕉中的钾-40)附着在葡萄糖等化学物质上，然后一起注入血管。葡萄糖在血管中分解，释放出正电子，正电子在体内与电子相遇并相互湮灭。这个湮灭过程产生伽马射线，可以用来构建身体的图像，从而为医生提供诊断证据。

欧洲粒子物理研究所的科学家一直在研究反物质作为一种潜在的癌症治疗方法。物理学家发现他们可以使用粒子束攻击肿瘤，肿瘤在安全通过健康组织后释放能量。使用反质子可以增加另一束能量。科学家已经发现这项技术对仓鼠细胞有效，但是在人类身上仍然没有相关的研究。

大爆炸后反物质可能仍在潜伏

科学家一直希望“发现”大爆炸后留下的反物质，从而解开物质-反物质不对称的谜团。

国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS-02)的任务包括搜寻这些粒子。2011年在奋进号上发射的先进探测器被认为是一种科学武器，可以对反物质神秘案件进行“终结辩论”。在未来十年左右，它将在太空中最理想的地方探索反物质和反宇宙。此外，它的任务还包括搜寻宇宙中的暗物质和探索宇宙射线。

AMS-02是人类发射到太空的最大的磁谱仪，可以从数十亿个事件中识别出一个反粒子。这意味着与以前的实验相比，精确度提高了三个数量级。以这样的精度，探测器将以前所未有的精度探测宇宙射线光谱的组成。

AMS-02内部有一个强大的永久磁铁。在AMS-02的作用下，带电粒子和反粒子将向相反的方向偏转，从而导致物质和反物质分道扬镳，而不是“相遇”并相互湮灭。

宇宙射线碰撞通常产生正电子和反质子，但是产生反质子原子的可能性非常低，因为这个过程需要大量的能量。这意味着即使只发现了一个反氦核，它也能成为宇宙某处存在大量反物质的确凿证据。这些物质是在大爆炸后产生的，它们的发现将成为今天理解宇宙的真正突破。

反物质推动宇宙飞船还有很长的路要走

反物质的潜在和吸引人的用途是为星际火箭制造超级燃料。

科学家们早就发现，当反粒子和粒子在高能下碰撞并湮灭时，它们会释放出大量的能量。这种能量的释放速度远远高于核弹和氢弹。几克产生的能量相当于一枚战略核弹。由于这种性质，在科幻小说中反物质经常被用作星际飞船的燃料。在“星际迷航”系列电影中，“企业号”飞船依靠反物质动力系统，可以实现超光速飞行和超光速到达宇宙中的任何地方。

肯特州立大学的高级研究员张伟明和西部储备大学的罗南·基南的分析表明，反物质火箭可以达到光速的70%。从理论上讲，使用反物质作为火箭燃料是可能的，但是在这个新想法付诸实践之前，人们必须解决反物质的稀缺性和储存性这两个主要问题。

目前，科学家仍然没有办法大规模生产或收集足够的反物质。经过近半个世纪的研究，人类最多只能储存反物质(反氢原子)1000秒。据媒体报道，欧洲核子研究中心的科学家在2011年成功地将309个反氢原子保持到1000秒，是以前的5000倍。

然而，科学家是一群“很清楚山中有老虎，更喜欢在虎山中旅行”的人。许多科学家正在制造和储存反物质。如果将来有一天科学家能找到一种方法来生产或收集大量反物质，那么反物质推动的星际旅行可能会从梦想变成现实。

但有趣的是，当反物质火箭投入使用时，乘客也必须习惯所谓的相对论效应——当接近光速时，空间和时间不会移动得那么快。简而言之，地球时钟从地球到半人马座大约需要6年，但实际感觉不到4.5年。

事实上，人体也会释放反物质。我相信，随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入，人们对反物质作用的认识将会越来越深刻，反物质世界必将为人类做出贡献。