什么是反物质(什么是反物质和暗物质)

什么是反物质(什么是反物质和暗物质)创2021-08-12 00:06时空通讯

许多朋友对反物质还是不甚了了,常提出一些奇怪的问题。如在我文章的评论区,常有人问:“1克反物质能摧毁世界吗?”或者“反物质既然这么厉害,为什么不举世界之力去找一个反物质矿开发呢?”

诸如此类的问题看似比较简单,但却不是一两句话能够说明白的。今天我们就来细扯一下,看是否能把反物质的有关问题说个明白。请大家耐心看完,若有帮助,则幸甚。

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,但也有限

反物质威力是巨大的,是迄今为止已知物质质量转化为能量最大最完美释放,也就是质能转换率达到100%,世界上没有任何物质或技术制造出来的能量可以与反物质相比。

现在,我们人类掌握的最大质能转换技术就是核聚变,质量转化为能量的比率约0.7%,也就是1kg物质可以转化出7g的能量,只是反物质转化率的1/142.86。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

即便如此,反物质能量释放也是有限的。反物质能量释放的方式是与正物质湮灭,就是反物质遇到正物质就会一下子化为乌有,没了。这些质量化为乌有的那一瞬间,转化为巨大能量,这种以光和热爆发出来的能量总量,严格遵循爱因斯坦质能方程,即:E=MC^2。

这里的E表示能量,单位J(焦耳);M表示质量,单位kg(千克);C表示光速,单位m(米)。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

根据这个方程计算,1g(克)反物质全部释放的能量约9*10^13J。但反物质湮灭需要有正物质的参与,1g反物质会严格与1g正物质发生湮灭,所以就会爆发出2g的能量,即1.8*10^14J。这个能量有多大呢?每kw/h(千瓦/时,1度)电能相当于3600000J,每吨TNT炸药爆炸能量相当于4184000000J。

因此1g反物质与1g正物质湮灭,就会产生相当5000万度电,或者说4.3万吨TNT炸药的爆炸威力。

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广岛原子弹爆炸当量约1.3万吨,这1g反物质与1g正物质,也就是2g物质全部转化为能量的威力就相当约3.3颗广岛原子弹的威力。3.3颗广岛那么大的原子弹威力是很巨大,但距离摧毁地球或者地球生态可就差远了。

人类后来试爆的核弹当量随便都是百万吨级到千万吨级,前苏联还试爆过5000万吨级的氢弹,这些核弹不但没有摧毁地球,甚至连地球一根毫毛也没有伤到。所以,1g反物质,也就相当4.2万吨炸药,是不可能摧毁地球的。

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,反物质真的存在吗?

地球上反物质是极少的,宏观状态,也就是以人肉眼能够看见的反物质是不可能存在的。因为反物质最大的特点是见不得正物质,只要见到非要来个同归于尽不可,因此,地球上如果有成块的反物质,一出现就会与任何正物质湮灭掉,并且爆发出惊天动地的能量。

那么,既然看得见的反物质不可能存在于我们世界,科学家又凭什么说宇宙中存在反物质呢?是不是科学家们吃饱了撑的,随便想象出来的呢?还真不是,科学家从来都不会像民科一样,吃了几天饱饭就随意臆想,反物质发现是有根有据有证明。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

最早提出反物质概念的是英国物理学家狄拉克,他在1928年就首次预言并论证了正电子的存在;1932年,美国物理学家安德逊在实验室中又发现和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;再后来,科学家们发现所有的粒子都有反粒子,而没有反粒子的粒子倒成了奢求。

1937年,意大利物理学家埃托雷马约拉纳预言有一种粒子,反粒子就是其本身,人们把这种正反合二为一的粒子称为马约拉纳费米子。科学家们为了找到这种粒子,耗费了整整80年时间。

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直到2017年,杨振宁的学生,斯坦福大学张首晟和他的团队,与加州大学洛杉矶分校、欧文分校的团队合作,才终于发现了这种马约拉纳粒子的踪迹,并在霍尔效应平台系统中得到了第一个证据确凿的测量结果。

说了这么多,就是为了说明反粒子是一个普遍的存在,没有反粒子的粒子才是稀有的。因此地球上以反粒子形式存在的反物质是广泛存在的。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?那么宇宙中是不是存在一个反物质世界呢?

科学家们根据研究和发现认为,宇宙最早的诞生时期,都是正反粒子成对的出现,这样,宇宙创立之初,绝大多数的粒子都湮灭了,如果一切都是完美对称守恒的,那么就不会出现我们的世界了,但宇称并不守恒,这种不完美多出的一些正物质,就组成了我们世界。

那么我们宇宙还有反物质集中存在的世界吗?很多科学家们都相信会有,认为既然多出的正物质形成了我们的世界,或许也会有一部分反物质,在某个角落形成了一个反物质世界。

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但是,科学家们利用大型望远镜和各类设备等手段,寻找反物质很多年,迄今为止,不但没有从地球上发现宏观反物质,就是整个宇宙中也没有观测发现到宏观反物质。但科学家们仍然相信,既然地球上还会不断地产生微量的反粒子,那么宇宙中就很有可能还会有一部分反物质留存下来,形成反物质世界。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

在广袤的宇宙,如果在某个地方存在一个反物质世界,那里也出现了生物和文明,它们的感受会和我们一样的,所不同的就是它们那里的正物质才是稀罕物,它们会认为自己世界的物质是正的,像我们世界这样的物质才是反物质。

那么未来发现反物质世界,人类可以去上面开矿吗?我认为这也是不太可能的。因为反物质和正物质完全不能接触,一接触就会湮灭,因此人类世界很可能永远也不会遇到反物质世界,也永远无法开采反物质矿藏。

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作为武器威胁人类吗?

反物质作为武器,其威力是任何物质无可比拟的,因此在科幻文学和影视中,常有反物质被某些反人类恐怖组织掌握的描述,他们用反物质要挟政府,不满足条件就毁灭世界。

地球上反粒子很普遍,就是我们人体和许多动植物,如香蕉,都会产生反电子,这是因为钾-40衰变会释放正电子,而人和香蕉等动植物体内存在着钾-40,就会不断释放出正电子。而我们所有正物质的电子都是负电子,正电子就是反物质粒子,产生出来就会与负电子发生湮灭。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

电子湮灭同样会释放出全部能量,但单个电子的能量太小了。电子质量约9.10953*10^-31kg,根据质能方程释放的能量就相当8.1*10^-14J,也就是100万亿分之一瓦的能量,即便正负电子两个电子湮灭的能量释放,也只有50万亿分之一瓦的能量,因此人们完全无法感受到。

因此,即便地球上所有动物植物都会释放正电子,这些粒子级的湮灭人们也无法察觉。要知道一个针尖上都可以排列亿亿个电子,而在我们周围充斥着空间的一切都是正物质,如空气和水、土壤等,个别电子一出现,就与正物质湮灭了。

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,地球上反物质粒子虽然广泛存在,但总量实在太稀少了,捕捉或制造反物质非常困难,且很难保存。科学家们花费了几十年时间,动用最顶级的科学技术和设备,全世界捕捉和制造出来的反物质才有17ng(纳克),就是亿分之1.7克,全部湮灭的能量还烧不开一杯开水。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

现在地球上科学家们制造或捕获到的极微量反物质,是依靠磁阱控制的,也就是制造出磁力陷阱,将这些反物质粒子约束在这个陷阱中间,不让它接触任何物质,再加上制造接近绝对零度的极低温度(-272.65℃以下),让这些粒子的动能降到最低,才勉强能将这些反粒子挽留住一些时间。

最早,科学家们得到的反粒子只能保留到毫秒级,现在能够约束时间最长的反氢原子,也只能保持约1000秒。因此,恐怖分子想要得到烧开一杯水的反物质,都比登天难多了,想用反物质毁灭世界没有谁有这个本事。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?那么未来反物质有没有可能泛滥成灾呢?

据科学家测算,用世界上最大的欧洲大型强子对撞机,不间断运行1000年,才能够对撞出1ug(微克)反物质,也就是百万分之一克。这个能量有多大呢?1ug的反物质与1ug的正物质湮灭,可释放出2ug质量的能量,根据爱因斯坦质能方程计算,可得到1.8*10^8J能量,相当50度电能,或43kgTNT炸药爆炸能量。

50度电能干什么大家都应该知道吧?而43kg炸药的威力,也就和一发不大的炮弹威力差不多。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

要知道这是世界最大对撞机,连续运行1000年才能够得到的反物质。这个花费需要多少?有资料介绍,欧洲强子对撞机运行10小时需要120兆瓦的电力,就是1.2亿度电。按美国每度电10美分计算,就需要1200万美元,平均每小时需要120万美元。

每年约合8766个小时,连续运转1000年就是876.6万个小时,需要耗电约105万亿度,总费用约需10.5万亿美元。这只是1ug反物质的电费代价,就相当美国全国约半年的国内生产总值。如果制造1克反物质,光是电费就需要花费约1052亿亿美元。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

这是一个什么概念?现在全世界GDP(生产总值)总量为87亿美元,而制造1g反物质的电费就需要全世界人民干12亿年。

大型强子对撞机的运行远远不止电费支出这么一点点,还要花费大量的科技资源和人力物力,还有设备损失保养和制造,这个代价就无法计算了。而且反物质捕获或制造保存是很高的技术难题,绝非只要有钱就能办到,一般人挨边都挨不上。

反物质到底是什么,威力有多大,坏人掌握了会摧毁世界吗?

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