什么是反物质(反物质到底是什么)

什么是反物质(反物质到底是什么)?

很多朋友还是不太了解反物质,经常问一些奇怪的问题。比如我文章的评论部分,经常有人问“一克反物质能毁灭世界吗?”或者“既然反物质这么厉害,为什么不举全世界之力找一个反物质矿来开发呢?”

这样的问题看似简单,却不是一两句话就能解释清楚的。今天就来详细说说,看看能否解释反物质的相关问题。请耐心看完。如果有帮助,我会很高兴。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

反物质湮灭的能量虽然巨大,但也是有限的。反物质力量巨大,已知物质的质量转化为能量有迄今为止最大最完美的释放,即质能转化率达到100%。世界上没有任何物质或技术产生的能量可以和反物质相比。

现在,我们人类掌握的最大的质能转换技术是核聚变。质能比约为0.7%,即1kg物质可转化为7g能量,仅为反物质转化率的1/142.86。

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即便如此,反物质能量的释放也是有限的。反物质能量释放的方式是与正物质湮灭,即反物质遇到正物质会立刻消失。这些质量消失的那一刻,它们就转化成了巨大的能量。这种能量的总量,随着光和热爆炸,严格遵循爱因斯坦的质能方程,即:E = MC ^ 2。

这里的e代表能量,单位为J(焦耳);m代表质量,单位为kg(千克);c代表光速,单位为m(米)。

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根据这个方程,1g (g)反物质释放的能量约为9 * 10 13J。而反物质的湮灭需要正物质的参与,1g反物质会和1g正物质严格湮灭,所以2g能量会爆发,也就是1.8 * 10 14j。这个能量有多大?每千瓦/小时(kw/h,1度)的电能相当于360万J,每吨TNT的爆炸能量相当于4184000000J。

所以1g反物质和1g正物质的湮灭会产生相当于5000万度电,或者4.3万吨TNT的爆炸力。

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广岛的原子弹相当于大约13000吨。将1g反物质和1g正物质即2g物质全部转化为能量的威力,相当于约3.3颗广岛原子弹的威力。三颗广岛那么大的原子弹威力很大,但远没有摧毁地球或其生态。

后来人类试验的核弹当量从百万吨到千万吨不等。前苏联也试验了5000万吨氢弹。这些核弹没有毁灭地球,甚至没有伤害地球。所以1g的反物质,相当于4.2万吨炸药,是不可能毁灭地球的。

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那么,反物质真的存在吗?地球上的反物质很少,宏观状态,也就是肉眼能看到的反物质是不可能的。因为反物质最大的特点就是看不到正物质,只要看到就要和对方同归于尽。所以,如果地球上有块反物质,它一出现就会湮灭任何正物质,爆发出惊天动地的能量。

那么,既然可见的反物质不可能存在于我们的世界,为什么科学家说宇宙中存在反物质呢?科学家是不是吃饱了撑的,只是想象而已?没错,科学家从来不像民事主体,他们只是在饱餐了几天之后,随意做出假设。反物质的发现是有根据的,也是有据可查的。

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反物质的概念最早是由英国物理学家狄拉克提出的,他在1928年首次预言并证明了正电子的存在。1932年,美国物理学家安德森在实验室发现并证实了狄拉克预言的正电子。1955年,英国物理学家西格雷用人工方法获得了反质子;后来科学家发现所有粒子都有反粒子,而没有反粒子的粒子就成了奢侈品。

1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(ettore majorana)预言有一种粒子,反粒子就是它本身。人们把这种正负粒子称为马约拉纳费米子。科学家花了80年才找到这种粒子。

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直到2017年,杨振宁的学生,斯坦福大学的张首晟和他的团队,与加州大学洛杉矶分校和欧文分校的团队合作,终于发现了这种majorana粒子的踪迹,并在霍尔效应平台系统中得到了第一个确凿的测量结果。

说了这么多,是想说明反粒子是普遍存在的,没有反粒子的粒子是罕见的。因此,反物质以反粒子的形式在地球上广泛存在。

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那么宇宙中存在反物质世界吗?根据研究发现,科学家认为在宇宙最早诞生时期,正负粒子都是成对出现的。这样,在宇宙创造之初,大部分粒子就湮灭了。如果一切都是完全对称守恒的,那么我们的世界就不会出现,但是宇称不守恒。来自这种不完美的一些更积极的物质构成了我们的世界。

那么我们的宇宙中是否存在一个反物质集中的世界呢?很多科学家认为会有,认为既然多余的正物质形成了我们的世界,也可能有一些反物质,在某个地方形成了反物质世界。

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然而,多年来,科学家们一直在借助大型望远镜和各种设备寻找反物质。到目前为止,在地球上,或者说在整个宇宙中,还没有发现宏观的反物质。然而,科学家仍然认为,由于地球上会有少量的反粒子不断产生,因此很有可能会有一些反物质残留在宇宙中,形成反物质世界。

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在浩瀚的宇宙中,如果某个地方存在反物质世界,存在生物和文明,他们的感受会和我们一样。不同的是,他们身上的正物质是稀有物,他们会认为自己世界的物质是正的,而我们这样的物质是反物质。

那么未来发现反物质世界的时候,人类可以去开采吗?我觉得也不可能。因为反物质和正物质根本不能碰,一碰就湮灭,所以人类世界很可能永远不会遇到反物质世界,也永远不可能开采反物质矿藏。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

反物质会被恐怖分子用作威胁人类的武器吗?反物质作为武器,有着任何物质都无法比拟的威力。所以在科幻文学和电影中,经常描述反物质被一些反人类的恐怖组织掌握,他们利用反物质勒索政府,不满足条件就毁灭世界。

反粒子在地球上非常普遍,就是我们人体和很多动植物,比如香蕉,都会产生反电子。这是因为钾-40的衰变会释放正电子,而钾-40在人类、香蕉等动植物中的存在会不断释放正电子。我们所有的正电子都是负电子,正电子是反物质粒子,产生时会和负电子湮灭。

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电子湮灭也会释放所有能量,但是单个电子的能量太小。电子的质量约为9.10953 * 10-31kg,根据质能方程释放的能量相当于8.1 * 10-14J,即100万亿分之一瓦特的能量。正负电子的湮灭能量即使释放出来也只有50万亿分之一瓦,人根本感觉不到。

所以,即使地球上所有的动植物都会释放正电子,这些粒子级的湮灭也无法被人探测到。要知道,针尖上可以排列着数亿个电子,我们周围充满空的一切都是正物质,比如空气体和水、土壤等。单个电子一出现,就被正物质湮灭。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

因此,虽然反物质粒子在地球上广泛存在,但总量如此稀少,以至于很难捕获或制造反物质,也很难保存。科学家们花了几十年时间使用最先进的科学、技术和设备。全世界捕获制造的反物质只有17ng(毫微克),也就是1.7百万分之一克。所有湮灭的能量都烧不了一杯开水。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

目前地球上科学家产生或捕获的极微量的反物质都是通过磁阱来控制的,也就是制造了磁阱,这些反物质粒子被囚禁在这个磁阱的中间,使它们不与任何物质接触。此外,接近绝对零度的极低温度(低于-272.65℃)使得这些粒子的动能最小化,使得这些反物质粒子只能勉强保留一段时间。

科学家获得的反粒子最早只能保持毫秒级。现在能被约束最长时间的反氢原子只能保持1000秒左右。所以,恐怖分子要想得到煮沸一杯水的反物质,要比升天困难得多。没有人能用反物质毁灭世界。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

那么反物质未来有可能泛滥吗?根据科学家的计算,世界上最大的欧洲大型强子对撞机需要连续运行1000年才能敲出1ug(微克)的反物质,也就是百万分之一克。这个能量有多大?1ug反物质和1ug正物质的湮灭可以释放2ug质量能量。根据爱因斯坦的质能方程,可以得到1.8 * 10 8J的能量,相当于50度电能量,或者43kgTNT炸药爆炸能量。

大家应该都知道50度电是干什么的吧?而且43kg炸药的威力和小炮弹差不多。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

要知道这是世界上最大的对撞机连续运行1000年后才能得到的反物质。这要花多少钱?据悉,欧洲强子对撞机10小时需要120兆瓦的电力,即1.2亿千瓦时。按美国每度电10美分计算,需要1200万美元,平均每小时120万美元。

一年大约需要8766个小时,也就是说连续运行1000年需要8766000个小时。它需要约105万亿千瓦时的电力,总成本约为10.5万亿美元。这还只是1ug反物质的电费,相当于美国半年左右的国内生产总值。如果生产一克反物质,仅电费就要花费约1052亿美元。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

这是什么概念?目前世界国内生产总值(GDP)87亿美元,全世界人民要花12亿年才能做出1g的反物质电费。

大型强子对撞机的运行远不止电费,还要耗费大量的科技资源、人力物力,以及设备损耗、维护和制造。这个成本无法计算。而且反物质的捕获、制造和保存是一个非常高的技术问题,不是有钱就能搞定的。大多数人都无法亲近对方。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

所以反物质在可预见的未来会极度匮乏,烧一杯开水的反物质都得不到,更别说泛滥了。

有人会问,未来人类会发现宏观状态的反物质还是反物质星球?我觉得很可能永远不会,因为这是我们两个世界长期稳定存在的基础。否则,我们一抬头,就会发现一堆反物质行星,世界末日正在向我们和他们走来,随时可能被歼灭。

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