天文科普:世界上最貴的物質是什麽?反物質,它是終極能源
來源:科學信仰
發布時間:2021-02-25
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世界上最貴的物質是什麽(me) 呢?黃金?當然不是,黃金隻是一種每克幾百元的金屬,比它貴的物質比比皆是,如鋦和錇,它們(men) 的價(jia) 格都可以達到每克100萬(wan) 元以上,而一種人工合成的元素鐦,它的價(jia) 格甚至達到了驚人的每克2億(yi) 元,不過這些都不是世界上最貴的物質。

那什麽(me) 才是世界上最貴的物質呢?準確地說,世界上最貴的物質並不是物質,而是“反物質”。在歐洲核子中心14年的工作時間裏,一共隻製造了10的-10次方克的反物質,按照設備運行的消耗來計算,如果要製造一克反物質,那麽(me) 成本將會(hui) 在上萬(wan) 億(yi) 美元之上,這個(ge) 價(jia) 值不是任何物質可以比擬的,所以反物質當之無愧是世界上最貴的“物質”。反物質是客觀存在的嗎?當然,我們(men) 容易將反物質與(yu) 暗物質相混淆,但兩(liang) 者並不是一回事,反物質並不僅(jin) 僅(jin) 是理論推算得出的,從(cong) 第一個(ge) 反物質的發現至今已有將近90個(ge) 年頭了,而現在人類也已經具備了製造反物質的能力,雖然產(chan) 量並不是很高。

最早發現反物質的人是美國科學家安德森,在1932年,安德森在利用實驗設備“威爾遜雲(yun) 室”觀測宇宙射線的時候,無意中發現了帶有正電的電子,安德森將其稱之為(wei) 正電子,電子都是帶負電的,所以正電子就是電子的反粒子。

隨後,在1955年,意大利物理學家塞格雷和美國物理學家張伯倫(lun) 又發現了反質子,僅(jin) 1年之後,1956年,美國科學家考克就發現了反中子。在很多年以後,1995年,歐洲核子中心的瓦爾特帶領科研團隊製造出了反氫原子,至此,人類擁有了製造反物質的能力。

到底什麽(me) 是反物質呢?這還要從(cong) 量子力學說起,在微觀世界中,粒子所處的位置隻能用概率來進行描述,而描述這種概率的方程就被稱之為(wei) 波函數方程,因是由薛定諤所提出的,因此也叫薛定諤方程。

薛定諤方程雖然很好,但其本質是非相對論形式的,所以在描述高速運動的粒子時就會(hui) 出現問題,為(wei) 了使這一問題得到解決(jue) ,狄拉克對其進行了改良,以相對論形式進行了描述,這就是狄拉克方程。狄拉克方程很棒,但也引出了新的問題,就是在使用狄拉克方程求解的過程中,電子會(hui) 出現負能級。這就與(yu) 常識相悖了,電子有很多不同的能級,最低的能級為(wei) 基態,其上可能有第一激發態、第二激發態等等,但哪裏來的負能級呢?狄拉克最終給出的解釋是:負能級帶有正電,因其已經被帶有負電的電子填滿了,所以電子就不能躍遷到負能級,所以我們(men) 也意識不到它的存在。這片由負能級和電子所組成的區域就是我們(men) 所說的“真空”。

當一個(ge) 負能級上沒有電子的時候,它就帶有正電,此時它就是一個(ge) 反物質,也就是我們(men) 所說的正電子。

此時如果我們(men) 拿一個(ge) 電子給它,那麽(me) 它就會(hui) 成為(wei) 一個(ge) 被填滿的負能級,也就是真空,並釋放出能量,而這個(ge) 過程就是我們(men) 所說的正負電子的湮滅,正反物質相遇會(hui) 發生湮滅並釋放出巨大的能量。現在我們(men) 知道了什麽(me) 是反物質,那麽(me) 研究反物質到底有什麽(me) 用呢?

目前比較成熟的對反物質的應用在於(yu) 醫療檢查領域,有一種醫療檢查方法叫做PET,簡單來講就是向身體(ti) 注入正電子,正電子會(hui) 與(yu) 我們(men) 體(ti) 內(nei) 的電子發生湮滅,並釋放出能量,而這股能量會(hui) 產(chan) 生強光,可以讓身體(ti) 內(nei) 的病變更容易被發現。在臨(lin) 床上,PET一般與(yu) CT結合使用。

反物質雖然能夠應用於(yu) 醫療,但其真正的價(jia) 值並不在此。

質量是能量的一種表現形式,根據質能方程E=mc∧2可知,能量等於(yu) 質量乘以光速的平方,光速為(wei) 299792458m/s,所以光速的平方是個(ge) 很大的數,因此隻需要微小的質量就可以轉化為(wei) 巨大的能量,這就是為(wei) 什麽(me) 核反應可以通過裂變或聚變的方式產(chan) 生巨大能量的原因。核能在我們(men) 看來已經很了不起了,但實際上核能隻能夠把不足3%的質量轉化為(wei) 能量,而正反物質的湮滅卻可以將100%的質量轉化為(wei) 能量。

毫無疑問,以人類現有的認知,反物質就是終極能源。如果人類隻是想在太陽係之內(nei) 轉一轉,那麽(me) 核能勉強夠用了,但如果人類想要去探索宇宙深空,非反物質能源不可,因為(wei) 隻有反物質能源才有可能讓亞(ya) 光速飛行成為(wei) 現實。


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