|
A.反物質 | |
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。(愛因斯坦特殊相對論告訴我們,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之謎中的最大難題之一。許多可能的物理過程都是在探究重子時所發現。
|
|
B.歷史 | |
1927年12月,英國物理學家保羅·狄拉克提出了電子的相對論方程式,即狄拉克方程。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」。 反質子、反中子和反電子如果像質子、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,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
|
|
C. 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,主要用於在太空很難補給燃料的太空用,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,不帶電的反物質無法以磁場束縛,保存上也是一大問題。
|