物质与反物质的关系(该如何研究反物质)-钰翎珑科普网

物质与反物质的关系(该如何研究反物质)

广通 • 2022年10月21日 am1:46 • 科技

尽管这听上去很像是科幻小说，但是反物质的确在我们日常生活当中存在。是现代医学界广泛采用的方法。而你厨房中的香蕉会制造反物质。（这一点将在稍后再提。）

反物质问题是物理学界的一大疑团。当反物质粒子遭遇正常物质中与其对立的粒子时会“同归于尽”，迸发出强大的能量。宇宙大爆炸中，正常物质（也就是组成了世间万物，如你、我）与反物质本应等量地创造。循着这一思路，人们不禁要问：既然如此，正常物质与反物质不就应恰好相抵了么？接着只有一个宇宙充满了正反物质被摧毁之后形成的能量尾流。

何谓反物质？

物质包括原子。如我们在原子图中所见，原子是由原子核和绕原子核公转的若干电子所组成，原子核中还有较小粒子质子、中子等。无论是氢，碳，氧或其他材料，原子类型都是由原子核中质子数量所决定。（氢具有一个质子，碳具有六个质子，氧具有八个质子。）质子带正电荷。在正常情况下，原子中电子数和质子数是一样的，这是因为要求电子所带负电荷起平衡作用从而使原子中性。关于中子，顾名思义，中子本身是中性的。

因此，小于原子的粒子，即组成原子的质子，中子和电子都能带电并高速旋转。高速旋转能反映粒子角动量的大小，而角动量与粒子旋转速度及方向相关。

我们目前普遍认为每个组成物质的粒子均有与之相联系的反物质粒子存在，除所带电荷和相反的旋转特性外，这两者是完全一致的。对于电子而言，那反物质粒子是正电子，和电子具有同等质量但带有正电荷并发生着和电子相反的旋转。 1928年，物理学家Paul Dirac首次提出反物质的存在。不久Carl Anderson在1932年找到正电子的存在。两人都获诺贝尔物理奖，原因是其成果在物理学领域有重大突破。

尽管理论上认为宇宙大爆炸时产生了大量反物质，但与正常物质相比，我们现在能看到的反物质非常少。反物质中的电子或正电子用于医学图像上显示出明显的身体。您是否进行了PET扫描？“PET”中的“P”代表正电子。

家里厨房的香蕉还能制造正电子喔。您也许听过：香蕉中含有丰富的钾元素。钾原子在原子核中含有19个质子。中子数不等的各种钾元素合称为钾的同位素，尽管质子数一致，但其稳定性却有很大差异。香蕉中钾元素常在钾-40左右。钾-40有21个中子，偶尔衰变成氩（原子核内有18个质子），在此过程中每75分钟释放一个正电子。这听上去似乎令人有些惊慌，但要记住这些反物质中的正电子不久将不复存在。在我们体内，同样存在着这样一种同位素，它能自动形成微量反物质。

我们能怎样学习反物质呢？

为研究反物质来确定其使用范围，并最终说明我们宇宙缘何会有多余的正物质让人类生存下去，粒子物理学家可在粒子加速器上进行反应生成某些反物质，比如埋在法国-瑞士边界的距离地表约100米深处的大型强子对撞机。

反物质粒子是高速碰撞过程中生成的，但物理学家们不得不使用一种叫做反质子减速器的设备来减速它，以便能够更好地对它进行观测。

在CERN（欧洲核子研究组织）和大型强子对撞机所在的研究机构中，未来将有许多与反物质有关的实验。粒子物理学家对反质子在生物中的作用进行了考察和研究：能否利用反物质抵抗肿瘤？当反氢原子与氢原子相遇时，会发生什么反应呢？地心引力能否对反物质产生和正常物质相同的影响…对于反物质的研究，CERN中给出了一条明确的历史时间线供大家感兴趣时浏览。