世界上最贵的“物质”:反物质

作者: 七君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2019-11-25

本文介绍了世界上最贵的“物质”——反物质,包括其定义、历史发现、制造和储存的挑战,以及在日常生活中的应用和医学上的用途。

今天介绍世界上最贵的“物质”,它们不能摸,一摸就消失。但是,科学家们却可以把它们装起来。这是怎么回事呢?我们的世界是由物质构成的,也就是电子和夸克等粒子构成的。不过呢,这些粒子都有反粒子,也就是除了电荷相反以外,其他方面一样的“孪生”粒子,它们就是反物质。反物质是首先被数学预言,然后才被找到的东西。

1928年,量子力学奠基人保罗·狄拉克在解方程的时候发现方程存在2个解,类似于(x2-1)=0有+1和-1两个解一样。不过,狄拉克没有排除另一个解,而把它写到了论文The Quantum Theory of the electron里面。

1931年,他又发了一篇叫做Quantised Singularities in the Electromagnetic Field的论文,描述了反物质存在的可能性。一年多后的1932年,有人(美国物理学家Carl Anderson)居然真的拍到了一种反物质——正电子的照片。因此,人们开始重视起狄拉克对反物质的预言,并开始寻找其他反物质。虽然能够拍到反物质,但是制造和捕捉它们又是另一回事了。

科学家在2010年才首次成功捕捉了反物质。捕捉反物质的难度在于,它们在宇宙中很少见(不然宇宙可能早就不存在了),而且遇到物质会爆炸,俩俩碰碰乐相消,同时释放出能量,这个过程叫做湮灭。0.25克的物质和0.25克的反物质相遇湮灭释放出的能量,等同于5千吨的TNT。而且,反物质是世界上最昂贵的东西。根据NASA在1999年公布的消息,一克反物质的制造成本是6.25*1013美金。

2015年的制造成本的数量级也在万亿美金的级别,小国恐怕举全国之财力都造不出来。不过呢,我们生活中会遇到反物质。例如,香蕉会产生一种反物质——正电子。一根香蕉平均每天会释放出15个正电子,因为你的香蕉里含有微量的钾40(钾的一种同位素),而钾40会发生放射性衰变,并在这个过程中释放出正电子(正β衰变)。当然,你吃下含有钾40的其他食物,也会产生正电子。

除了香蕉里的反物质,科学家们也曾经观测到雷暴产生反物质的证据。还有,医学上常用的正子断层照影(PET)就是利用正电子进行的。PET技术常常被用来检测癌症和脑部成像。所以问题来了,既然香蕉也会产生反物质,为什么反物质还这么贵呢?因为,要大量制造和储存反物质很不容易。

美国费米国立加速器实验室(Fermilab’s Tevatron particle accelerator)总共产生了15纳克(1纳克=1克的十亿分之一)的反质子(带1个单位负电荷,类似于质子的反物质),欧洲核子研究中心(CERN)制造出了1纳克的反质子,德国电子加速器(DESY)制造出了2纳克的正电子。2015年时,储存1克反物质需要2.5*1016千瓦时的能量。

2018年,CERN公布,BASE实验成功无损地在6开尔文(-267摄氏度)的真空中储存了几粒反质子1年。CERN称,这些反质子是宇宙中最冷也是最长寿的反物质。所以,天价反物质是怎么制造的呢?在瑞士日内瓦,有制造反氢(氢的反物质)的工厂。科学家们首先用质子同步加速器,让质子加速,然后使其和一些金属(如镭)相撞,产生的物质中有一些是反质子。

然后用磁场可以过滤这些粒子,因为反物质的电荷和普通物质相反嘛。不过呢,反质子没有颜色也没有气味,用肉眼无法分辨。好在,反质子有独特的电磁频率,能让科学家检测它们的存在。接着,反质子要通过这个六角形的仪器ELENA(extra low energy antiproton ring)。ELENA是一个减速器,它可以把反质子减速50倍(从5.3MeV减速到0.1MeV)。

然后,减速后的反质子和正电子结合,就可以形成反氢原子了。对了,反氢和氢的颜色是一样的。2018年4月,CERN的ALPHA课题组发表在《自然》上的研究指出,反氢和氢的颜色没有差别。最关键的问题来了,既然反物质和物质相遇会湮灭,那么怎么储存反物质呢?还记得吧,某些反物质也是带电的,比如正电子,所以可以用磁场困住它们。其中一种反物质陷阱,叫做彭宁离子阱,它类似于小型的加速器,可以困住反质子和正电子。

但是它对中性粒子,比如反氢没有用,因为反氢不带电。对于这类不带电的反物质,要用Ioffe-Pritchard阱(IP trap)来装。不过呢,现在我们还没有办法带着大量反物质到处走。把反物质装到卡车里,然后运到几百米外的地方,是CERN的一个叫做PUMA的研究项目的目标。PUMA想要在2022年把含有反物质的阱装到卡车上,然后运到几百米外的另一个实验场地ISOLDE。

这样费劲,是因为ISOLDE这里会产生稀有的放射性原子核,这些原子核会很快消失,因此无法搬运,只能让别人自己过来先。反物质运过来以后,就会和这些短命的放射性原子核碰撞,这样科学家就可以研究这些珍稀原子核的结构了。

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