反物質(zhì)形成的科學(xué)原理是什么
反物質(zhì)是很多的小說(shuō)和動(dòng)漫都出現(xiàn)過(guò)的名詞，但是杰很難多的人都不明白反物質(zhì)是怎么形成的。下面是百分網(wǎng)小編為你精心推薦的反物質(zhì)形成原理，希望對(duì)您有所幫助。
反物質(zhì)的形成原理
簡(jiǎn)單的說(shuō)，物質(zhì)是由分子和原子組成，原子是由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成，如果由帶正電的電子與帶負(fù)電的原子核組成原子，那么就是反原子，由反原子就可組成反物質(zhì)。
反物質(zhì)就是由反粒子組成的物質(zhì)。所有的粒子都有反粒子，這些反粒子的特點(diǎn)是其質(zhì)量、壽命、自旋、同位旋與相應(yīng)的粒子相同，但電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)、奇異數(shù)等量子數(shù)與之相反。
例如，氫原子由一個(gè)帶負(fù)電的電子和一個(gè)帶正電的質(zhì)子構(gòu)成，反氫原子則與它正好相反，由一個(gè)帶正電的電子和一個(gè)帶負(fù)電的反質(zhì)子構(gòu)成。物質(zhì)和反物質(zhì)相遇后會(huì)湮滅，釋放出大量能量。
反物質(zhì)的介紹
自然界紛呈多樣的宏觀物體還原到微觀本源，它們都是由質(zhì)子、中子和電子所組成的。這些粒子因而被稱為基本粒子，意指它們是構(gòu)造世上萬(wàn)物的基本磚塊，事實(shí)上基本粒子世界并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。在30年代初，就有人發(fā)現(xiàn)了帶正電的電子，這是人們認(rèn)識(shí)反物質(zhì)的第一步。到了50年代，隨著反質(zhì)子和反中子的發(fā)現(xiàn)，人們開(kāi)始明確地意識(shí)到，任何基本粒子都在自然界中有相應(yīng)的反粒子存在。
反物質(zhì)是正常物質(zhì)的反狀態(tài)。當(dāng)正反物質(zhì)相遇時(shí)，雙方就會(huì)相互湮滅抵消，發(fā)生爆炸并產(chǎn)生巨大能量。能量釋放率要遠(yuǎn)高于氫彈爆炸。 在丹·布朗的小說(shuō)《天使與魔鬼》里，恐怖分子企圖從歐洲核子中心盜取反物質(zhì)，進(jìn)而炸毀整座梵蒂岡城。與此類似的是，YQZ的小說(shuō)《末日大逃亡之地球毀滅》中，男女主角在費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家的幫助下，成功地用運(yùn)載35克反物質(zhì)的洲際導(dǎo)彈炸毀了撞向南極洲飛船基地的中子星，而它曾經(jīng)受數(shù)千枚核彈狂轟濫炸卻毫發(fā)無(wú)傷。
反物質(zhì)概念是英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克最早提出的。他在20世紀(jì)30年代預(yù)言，每一種粒子都應(yīng)該有一個(gè)與之相對(duì)的反粒子，例如反電子，其質(zhì)量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反(A)。 且電子的自旋量子數(shù)是-1/2而不是正1/2。
歐洲航天局的伽馬射線天文觀測(cè)臺(tái)，證實(shí)了宇宙間反物質(zhì)的存在。他們對(duì)宇宙中央的一個(gè)區(qū)域進(jìn)行了認(rèn)真的觀測(cè)分析。發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域聚集著大量的反物質(zhì)。此外，伽馬射線天文觀測(cè)臺(tái)還證明，這些反物質(zhì)來(lái)源很多，它不是聚集在某個(gè)確定的點(diǎn)周圍，而是廣布于宇宙空間。
反物質(zhì)的特點(diǎn)
在多數(shù)理論家看來(lái)，宇宙中正反物質(zhì)的大尺度分離是不可能發(fā)生的。因此，三千萬(wàn)光年的范圍內(nèi)沒(méi)有反物質(zhì)天體，已說(shuō)明宇宙中大塊的反物質(zhì)是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質(zhì)應(yīng)當(dāng)?shù)攘�。這樣，需要做的事是尋找物理機(jī)理，來(lái)說(shuō)明宇宙如何才能從正反物質(zhì)等量的狀態(tài)過(guò)渡到正物質(zhì)為主的狀態(tài)。這里，理論家也遇到了非常尖銳的困難。
按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質(zhì)的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會(huì)成對(duì)地產(chǎn)生任何基本粒子。當(dāng)粒子的成對(duì)湮滅與成對(duì)產(chǎn)生達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡，宇宙介質(zhì)就是一切基本粒子構(gòu)成的混合氣體，且任一種穩(wěn)定或不穩(wěn)定的粒子都有接近相等的數(shù)密度。至于重子和反重子的數(shù)目是否嚴(yán)格相等，這不是由物理規(guī)律決定，而是由初條件決定的。
在理論家看來(lái)，在最初的宇宙中正反粒子應(yīng)當(dāng)?shù)攘坎抛匀弧５且子诳闯�，若這想法是對(duì)的，重子的守恒性立即會(huì)給出與事實(shí)明顯不符的推論。當(dāng)宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 ^13 K以下，由于粒子的熱動(dòng)能已不夠，熱碰撞成對(duì)產(chǎn)生重子已不可能。于是湮滅過(guò)程將使正反重子的數(shù)目同時(shí)迅速下降。最終，宇宙中將既沒(méi)有重子，也沒(méi)有反重子。這顯然不是真實(shí)宇宙的情景。事實(shí)上，今天宇宙中光子的數(shù)目最多.重子的數(shù)目是它的十萬(wàn)萬(wàn)分之一左右，反重子的數(shù)目很可能還要低許多量級(jí)。如果重子數(shù)B的守恒性是嚴(yán)格的物理規(guī)律，要宇宙從正反重子等量的狀態(tài)演化成今天這樣的狀態(tài)是不可能的。然后，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會(huì)多于反重子，那么問(wèn)題的出路在哪兒?
重子數(shù)B的守恒性肯定是嚴(yán)格成立的物理規(guī)律嗎?至今難以計(jì)數(shù)的粒子實(shí)驗(yàn)確實(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)一個(gè)破壞重子數(shù)守恒的事例，但是這并不說(shuō)明它一定是嚴(yán)格的規(guī)律。回顧一下化學(xué)的發(fā)展可作借鑒�；瘜W(xué)反應(yīng)
是元素的重新組合。經(jīng)驗(yàn)表明，在重組合的前后，每一種元素的原子數(shù)是守恒的，無(wú)數(shù)的化學(xué)實(shí)踐表明沒(méi)有例外。想把汞變金的煉金術(shù)的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應(yīng)的知識(shí)后人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關(guān)鍵在于要有高的`能量讓原子核發(fā)生變化�；瘜W(xué)反應(yīng)是在粒子能量小于1eV的條件下進(jìn)行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應(yīng)就不能發(fā)生。若過(guò)程中粒子的能量超過(guò)1MeV，原子核之間就能充分接近，那么原子核就能變化了，原子數(shù)的守恒性也就隨之破壞了。由此看來(lái)，原子數(shù)在化學(xué)過(guò)程中的守恒不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規(guī)律，而不是普遍成立的自然規(guī)律。借鑒同樣的道理，重子數(shù)的守恒性也可能僅是一定能量范圍的唯象規(guī)律，而不是普遍成立的。當(dāng)粒子的能量更高，重子數(shù)的守恒性完全可能會(huì)不成立，這正是今天的理論家看到的出路。
從70年代中期起，粒子物理中由弱電統(tǒng)一理論的成功，掀起了研究相互作用大統(tǒng)一的潮流。按這樣的理論，高能下發(fā)生破壞重子數(shù)守恒的過(guò)程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學(xué)解決正反物質(zhì)不對(duì)稱疑難的需要不謀而合了。于是這疑難問(wèn)題作為粒子物理和宇宙學(xué)的交叉領(lǐng)域而得到了很多進(jìn)展。人們已清楚，要從正反物質(zhì)等量的早期宇宙演化出今天正物質(zhì)為主的狀態(tài)，除了重子數(shù)守恒須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質(zhì)還必須有適量的差別。由于超高能下的粒子物理規(guī)律至今還沒(méi)有被掌握，因此實(shí)際上自然界是否確實(shí)具備這兩個(gè)要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物質(zhì)天體是事實(shí)，問(wèn)題是否能按這思路得到解決也還并不完全肯定。
總之，為徹底揭開(kāi)宇宙反物質(zhì)之謎，前面還有漫長(zhǎng)路要走。人們已能預(yù)料，這問(wèn)題的解決不僅對(duì)認(rèn)識(shí)宇宙是重要的，它對(duì)物理學(xué)的影響也將是很深刻的。
反物質(zhì)發(fā)現(xiàn)歷程
歐洲核子研究中心的科學(xué)家們?cè)跉W洲當(dāng)?shù)貢r(shí)間的2010年11月17日表示，通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，他們已經(jīng)俘獲了少量的“反物質(zhì)”。當(dāng)然，這些“反物質(zhì)”只是少量的反氫原子而已，但這一發(fā)現(xiàn)也是引發(fā)了科學(xué)家極大的反響。
位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心一直以來(lái)也在為破解這一難題而不懈的努力。歐洲核子研究中心擁有世界上能量最高的粒子對(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，這一對(duì)撞機(jī)的使命就是探究宇宙的起源，尋找那些未經(jīng)證實(shí)的可能存在的物理現(xiàn)象。
在17日研究人員宣布，在經(jīng)過(guò)了不懈的努力之后，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)終于發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)氫原子的‘反物質(zhì)’。羅布湯普森教授表示：“盡管發(fā)現(xiàn)的只是反物質(zhì)的冰山一角，但這毫不影響這一發(fā)現(xiàn)的重要性，這是一次重大的突破，有利于我們更好的了解宇宙的性質(zhì)和起源”。
羅布湯普森教授說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)，反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)將會(huì)引領(lǐng)人類的變革，使得人類的星際旅行之夢(mèng)將成為現(xiàn)實(shí)。此前在大量的科幻小說(shuō)中，用于星際旅行的飛船都是以反物質(zhì)作為燃料的。舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，如果想把人類送上火星，那需要千萬(wàn)噸以上的化學(xué)原料，而如果是以反物質(zhì)為燃料的話，僅需要幾十毫克，同時(shí)時(shí)間也大為縮短，只需要6周的時(shí)間就可以到達(dá)。
這項(xiàng)新的研究將會(huì)發(fā)表在《自然》雜志上，同時(shí)還包括了歐洲核子研究中心專家在此過(guò)程中所起到的舉足輕重的作用，以及探討究竟這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)者扮演者天使還是魔鬼的角色。來(lái)自英國(guó)的斯旺西大學(xué)的查爾頓教授最后對(duì)于這一發(fā)現(xiàn)做了自己的論述：“現(xiàn)在的宇宙基本是由普通物質(zhì)所壟斷，但我們必須要了解宇宙的全貌，否則我們可能身處危險(xiǎn)之中卻全然不知，氫是宇宙中最重要的元素，發(fā)現(xiàn)它的反物質(zhì)，具有非凡的意義。”
英國(guó)《自然》雜志網(wǎng)站17日刊登研究報(bào)告說(shuō)，歐洲核子研究中心(CERN)的科學(xué)家成功制造出多個(gè)反氫原子，并利用磁場(chǎng)使其存在了“較長(zhǎng)時(shí)間”。這是科學(xué)家首次成功“抓住”反物質(zhì)原子。
氫原子是只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子的最簡(jiǎn)單的原子。實(shí)際上，歐洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氫原子，但只能存在幾個(gè)微秒的時(shí)間，就與周圍環(huán)境中的正氫原子相碰并湮滅。此次的突破之處在于，制造出數(shù)個(gè)反氫原子后，借助特殊的磁場(chǎng)首次成功地使其存在了“較長(zhǎng)時(shí)間”——約0.17秒。
這個(gè)時(shí)間聽(tīng)起來(lái)似乎仍然很短，但對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度已十分難得，可以對(duì)反氫原子進(jìn)行較為深入的觀測(cè)和分析。因此，這一成果被看作是物理學(xué)領(lǐng)域的一大突破，將大大推動(dòng)有關(guān)反物質(zhì)的研究。
現(xiàn)在，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)要對(duì)撞1千年才能夠?qū)ψ渤鲆晃⒖朔次镔|(zhì)。
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