首页 > 亚博体育wap版 > 什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

2019-09-06 08:52:46

神秘莫测的反物质

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

反物质这个词,相信大家应该都不陌生,虽然它听起来和宇宙一样深邃莫测,但是,就算它再神秘,也还是被科学家们窥探到了冰山一角。现在,请读者们随我一起,追随着先人的脚步,揭开反物质的神秘面纱。

在1929年,英国着名物理学家保罗·狄拉克提出了一个着名的方程–狄拉克方程。要说明这个方程,就不得不提到另一个方程–薛定谔方程。在量子力学领域,它用来描述粒子位置在某个位置的概率。但是,薛定谔方程是为了满足量子力学而提出的,是非相对论的,这就遭到了别人的质疑。他们说“你看量子的物体,例如电子,运动速度非常快,接近于光速,你用非相对论形式不合适啊,应该把它改成相对论形式才对啊”。那么是谁完成了这项工作呢?答案就是狄拉克,他将薛定谔方程进行了相对论化,建立了狄拉克方程。

狄拉克方程

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

狄拉克方程刚问世的时候普遍被科学家们看好。但没过多久,人们便发现这个方程有一个十分令人费解的问题,就是当你根据这个方程求解时,会发现电子的能级存在负能级。当时人们的普遍认识是,电子只能处于n=1的基态,到n=3的第二激发态,如果说电子存在n=-1的负能级的话,你怎么证明呢?为了解释这个问题,狄拉克提出了一种观点。他说,负能级确实是存在的,观测不到是因为在负能级上面,有电子将其填满。根据泡利不相容原理,每一个能级上可能存在一对电子,负能级非常多,电子也非常多,于是狄拉克就将其命名为狄拉克海,并指出狄拉克海就是我们所说的真空。

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

?按照狄拉克的说法,狄拉克海(真空)由负能级和电子组成,电子带负电,而真空不带电,那么负能级就理所当然的带正电。这时如果我们入射一段电磁波,负能级的电子就有可能吸收能量跑到高能级去,这样真空中就只剩下负能级,而且它还带正电,那这个东西究竟是什么?狄拉克起初认为它是质子,但是遭到了其他科学家否认。如果它是质子,那么负能级的质量应该等于电子的质量,而科学家们通过计算,发现二者质量不相等。在1931年,狄拉克承认了负能级不是质子,并给负能级取了另一个名字–反电子。

电子

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

在真空环境下,我们加上电磁波,也就是能量,就可以变成电子和反电子;那我们反过来想,假设有一个负能级上没有电子,高能级的电子也可以跃迁回负能级,并发出电磁波(能量)。也就是说,真空+能量电子+反电子,这个过程是可逆的,电子和反电子结合,可以释放出能量,这个过程叫做正负电子的湮灭。最重要的一点,正负电子湮灭所释放的能量的效率是100%!

其实,最早设想反物质的并不是狄拉克。早在1898年,就有一名叫舒斯特的科学家,他给《Nature》了一封信,里面就提到了“反物质世界”这一假说,然后才是狄拉克发现反电子。但还有一位科学家,他在不知道狄拉克理论的前提下,于1932年独自发现了正电子,这个人就是美国科学家安德森,那么他又是如何发现正电子的呢?(反电子其实就是正电子,只不过命名的人不同)

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

在当时,科学家们探测粒子主要使用的工具是威尔逊云室,就是在一个容器里有过饱和蒸汽,此时射入粒子,在粒子运动轨迹上就会出现液化的小液滴,如果再加上磁场的话,粒子就会发生偏转,就可以判断粒子的电性。安德森就用这个方法去观察一些宇宙射线,他发现有一些宇宙射线在磁场中会向右偏转,根据磁场相互作用,安德森判断它带正电,他的老师说这是质子。但安德森不相信,因为质子能量比较大,经过云室形成的轨迹比较粗,液化小液滴也比较多;但是他所观察到的轨迹是非常细的,所以安德森怀疑它是电子,但电子怎么能带正电呢?

?威尔逊云室示意图

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

安德森想,也许这束粒子不是从上往下走的,而是从下往上走,这样它的运动轨迹偏转一样,带负电也就合情合理。为了验证这一想法,他拿一块铅板放在磁场中间,粒子穿过铅板后速度会变小,在磁场中的回旋半径就会增大。经实验,他发现铅板下半部分的粒子轨迹出现大幅度偏转,证实了这束粒子确实是从上往下运动的,而且它是带正电的电子,安德森将其取名为正电子,他也因此获得了诺贝尔奖。

?安德森云室实验 粒子穿过铅板轨迹

什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花

既然电子有反粒子,其他粒子有没有呢,答案是肯定有的。1955年,意大利物理学家塞格雷,美国物理学家张伯伦发现了反质子;1956年美国物理学家考克发现反中子。那么现在,反电子、反质子、反中子都有了,理论上它们就能组成反物质,但这却隔了很长时间,直到1995年,在欧洲核子中心CERN,瓦尔特领导他的团队成功制作了反氢原子,花费了大量财力物力。有人估算过,制造1克反物质大概需要上万亿美元,那1克反物质与正物质进行湮灭的时候能产多大能量呢?根据E=MC2,可以算出1克反物质大概相当于4.3万吨TNT炸药爆炸的能量。和反物质比起来,核能根本不值一提。

文/科学坊

谢谢您阅读观看美众网收集整理的“什么是反物质?当物质与反物质相互碰撞,将产生怎样的火花”。

热门资讯