反物質可能并不像聽上去那么陌生,反物質也許就是普通物質的鏡像
反物質
作者: 宇宙小百科
2020-08-11 07:55:06
[ 聞蜂導讀 ] 反物質也許并不像聽上去那么怪異,它早已進入了我們的生活。 反物質星系是什么?這是一個奇異的世界,它的基本屬性同我們周圍的世界正好相反。在我們周圍有質子、電子、房子、食物、太陽、星星和星系;而在反物質世界里,則有與之對應的反質子、反電子、反房子、反食物、反太陽、反星星和反星系,甚至還有反我們自己??茖W家推測這個反物質世界可能就在距離我們

反物質也許并不像聽上去那么怪異,它早已進入了我們的生活。

反物質星系是什么?這是一個奇異的世界,它的基本屬性同我們周圍的世界正好相反。在我們周圍有質子、電子、房子、食物、太陽、星星和星系;而在反物質世界里,則有與之對應的反質子、反電子、反房子、反食物、反太陽、反星星和反星系,甚至還有反我們自己??茖W家推測這個反物質世界可能就在距離我們3000萬光年以外的地方。

1 物質與反物質

自然界異彩紛呈:高大的樓房,廣袤的原野,潺潺的流水,神秘的星辰……它們構成了和諧的宇宙萬物。它們的大小、遠近、狀態和輕重雖然迥異,但都是由物質構成的。

物質是什么呢?從粒子物理學角度看,物質是由分子構成的。確切地說,分子也不是最小的物質顆粒,它們是由原子構成的。

原子又可以分成由質子與中子組成的原子核和圍繞著原子核轉的核外電子。質子和電子都是帶電粒子,質子帶1個單位正電荷,電子帶1個單位負電荷,中子則不帶電荷,是中性粒子。質子、中子和電子才是構成紛繁復雜物質世界的基本粒子,是“建造”萬物的“磚塊”。然而這些“磚塊”并不是宇宙的全部,當科學家深入基本粒子領域尋根究底時,一種新的物質隱約在他們眼前晃動,這就是反物質。

什么是反物質?就像質子、中子、電子結合起來形成原子一樣,反質子、反中子和反電子結合起來形成反原子。由反原子構成的物質就是反物質。當你照鏡子時,鏡中的那個你如果真的存在,并出現在你面前,有人就把它叫做“反你”。

(幾何光學告訴我們,鏡子里的像是你的形象通過光線傳到鏡面,再從鏡面反射回來的虛像,雖然在你舉手投足時,它也如法炮制,但它不是真實存在的反你,你也無法和它直接接觸。若用攝相機對準鏡子后面你的虛像拍照,是拍攝不出你的像來的。)科學家想象,在很遠很遠的地方,有一個和我們的世界很相像的世界,但它是一個由反星系、反恒星、反太陽、反房子和反食物等一切反物質構成的世界,他們稱它為反物質世界??茖W家說,反物質是普通物質的對立面和鏡像。普通物質構成了我們的物質世界的主要部分,而反物質則是構成反物質世界的主要部分。

反物質和普通物質其實并無二致,所不同的是,組成反物質的粒子與組成我們所熟知的普通物質的粒子在電荷等方面相反(注意,普通物質與反物質不僅僅電荷不同)。例如質子質量為1個單位,電荷為+1個單位,反質子質量為1個單位,電荷為-1個單位;又比如電子質量與反電子質量相同,但電子電荷為-1個單位,而反電子電荷則為+1個單位,所以有人把反電子叫做“正電子”(意思是帶正電荷的電子)。當然,也有一些例外,美國物理學家布魯斯·克拉克發現的反中子就是一例,它的質量與中子相同,也像中子一樣不帶電荷,但它在更小的單位——夸克方面則與中子明顯不同。其他中性粒子如光子、π0介子等的反粒子就是它本身。此外,在粒子物理學中還有一些粒子沒有上述意義的反粒子,中微子就是一例,反中微子自有另外一種定義。

科學家推測,反質子和反中子結合在一起能成為帶負電的反原子核,反原子核和反電子結合在一起能組成反原子。物質世界有多少種原子,反物質世界中也有多少種反原子,它們在結構上不應有什么區別。由此延伸下去,我們的宇宙有它對應的反宇宙,在反宇宙里有反星系、反恒星、反地球、反房子、反食物,一直“反”下去,直到反基本粒子。

那么,反物質真的存在嗎?答案應該是肯定的。1928年,英國物理學家保羅·狄拉克在前人工作的基礎上,給出了電子在電磁場里運動的理論公式,后人稱它為“狄拉克方程”。這是—個著名的方程,它的獨到之處在于方程中含有愛因斯坦的狹義相對論效應。根據這一方程,狄拉克作出了一個石破天驚的預言:電子一定有反電子,它有同電子相同的質量和相反的電荷。

1932年,美國物理學家卡爾·安德遜在用一架叫做“云霧室”的儀器觀測宇宙線中微小粒子的徑跡時,猛然發現一些微小粒子的徑跡與電子相反,一個向左拐,一個向右彎,正好一正一反,說明它們有相反的電荷。安德遜在實驗中發現了反電子,這是人類知道的第一個反物質,也讓狄拉克的預言得到了實驗證實。1955年,美國物理學家歐文·張伯倫等人在加利福尼亞州立大學勞倫斯一伯克利國家實驗室用高能質子轟擊銅時,制造出了反質子;1956年,又有科學家制造出了反中子;緊接著,反中微子、反介子、反原子……陸續登場,基本粒子的家族中涌現出一大批新成員,為原子核物理學譜寫了頗為有趣的新篇章。

從此,科學家逐漸認識到,不僅質子和電子有對應的反質子和反電子,而且所有微觀粒子都有自己的反粒子。如果反質子、反中子和反電子像質子、中子、電子那樣結合在一起就成為反原子。40年后,這個觀點也得到了實驗證實——1995年,歐洲核子研究中心(簡稱CERN)宣布,他們在PS210實驗期間,成功制造出世界上第一批反氫原子。第二年,美國費米實驗室又成功制造出7個反氫原子。費米實驗室的結果為EERN的發現提供了佐證。

早期的反氫原子是在1000萬℃的極高溫度下制造出來的,是“熱”的反氫原子,具有極高能量,不適合做研究工作。要利用反氫原子做研究工作,獲得更多的反物質知識,就必須減少“熱”反氫原子的能量,使其變“冷”。在這方面,CERN做了很多工作。早在1997年,CERN宣布,他們耗資1158萬美元建成一個周長188米的圓形混凝土盒狀反質子減速器,利用磁場將反質子的能量從3500兆電子伏減少到53兆電子伏,然后用電磁場對反質子進行約束,與正電子結合生成反氫原子。按照計劃,在這年年底前他們將用反質子減速器制造出首批“冷”反氫原子.

上述計劃如期完成,早在2002年年底,CERN制造出了世界上第一個“冷”的反氫原子,并將它儲存起來。隨后,CERN又斥資60億美元建成世界上最大的原子加速器——大型強子對撞機(LHC)??茖W家相信,隨著包括探測器和加速器等在內的一系列研究工具投入使用,有望進一步揭開反物質之謎。

2 反物質世界

宇宙學家指出,反物質是在137億年以前宇宙大爆炸時與普通物質一起產生的。

大爆炸最初的1秒鐘是宇宙的嬰兒時期,在這一時期宇宙出現了一次暴漲,電子、質子和中子等基本粒子在這一時期形成,反電子、反質子、反中子等反粒子也是在這一時期形成的。

物質世界琳瑯滿目,反物質世界又是怎樣的呢?一部名叫《費城實驗》

的 美國科幻影片讓我們看到了它的神奇:1943年12月,美國海軍在費城進行了一項秘密實驗,用于實驗的一艘驅逐艦在強磁場產生的綠色煙霧中突然消失,軍方立即下令停止實驗。他們隨后驚奇地發現,一眨眼功夫驅逐艦就駛到了遠在470千米以外的諾??舜a頭。是什么力量使這艘驅逐艦產生如此之快的速度呢?影片沒說。然而,當我們走進反物質世界時,呈現眼前的景象比《費城實驗》奇妙多了!在反物質世界里,一切都與現實世界相反,力的方向也是反的。你若想提起反物質物體,不是把物體向上提,而要往下按;要是向“反墻”上釘反物質釘子,不能用錘子對準墻壁用力敲打,而要用力拔它。這是一個多么奇妙的世界!試想在這樣一個世界里,我們的一顰一笑將是何等模樣!

真有這樣一個奇妙的反物質世界嗎?從哲學的角度講,這個問題很容易回答,有左必有右,有上必有下,有陽必有陰,有正必有反。我國古代太極圖似乎暗示了這一點,一些天文學家也認為可能有這樣的世界。目前,由諾貝爾物理學獎獲得者、華裔科學家丁肇中主持的“尋找宇宙中的暗物質和反物質”的研究已有16個國家的科學家參與,投入的資金高達1000多億美元。

許多科學家表示,誰要是能發現宇宙反物質的存在,那么他將當之無愧地獲得諾貝爾獎。這項研究擬在太空進行,探測器發射后將永駐太空。

丁肇中認為,如果反物質確實存在,當正物質與反物質碰撞時可以產生巨大的能量。因為反物質是極不穩定的,它與物質一接觸,原子外層的電子因電荷與反原子外層反電荷相反而抵消,原子核中的質子也因同樣的原因相互湮滅,而反中子則因磁性與中子相反而與中子強烈碰撞。根據愛因斯坦理論,這種碰撞能將參與碰撞的物質全部轉化為能量,效率達到100%。

目前,由丁肇中主持的這項研究已進行多年,并取得了一些重要成果。不過,丁肇中慎重地表示:“但是,從這一領域的發展歷史來看,人們要有思想準備,也許我們會發現意想不到的東西,與原先想研究的東西毫無關系?!边@番話是有科學根據的。據科學家推測,在我們周圍3000萬光年內不會有反物質存在,在這個范圍以外是否有,現在還無法作出回答。愛因斯坦廣義相對論告訴我們,宇宙中的黑洞是連接兩個分離的時一空區的隧道,假如反物質世界處于時一空另一端,那么黑洞就可能是反物質世界的通道。當然,最大的可能性就是黑洞內部正是一個反物質世界。

為了解反物質世界,美國科學家曾在1979年把一個60層樓高的巨大氣球放到離地面35千米的高空,氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器。這個巨型氣球在空中截獲了28個反質子。這是在地球以外第一次發現反物質。除此之外,還在星際空間發現了反物質流。1997年4月,美國天文學家又宣布,他們利用“康普頓伽瑪射線天文臺”

在銀河系上方約3500光年處發現了一個不斷噴射反物質的反物質源,它噴射出的反物質形成一個高達2940光年的“反物質噴泉”。最近還有報道說,天文學家在一顆編號為SN2005E的異常奇特的超新星上發現了一個“反物質工廠”,它正在不間斷地向周圍釋放正電子。SN2005E距離地球1億光年,是一顆白矮星爆炸而成的超新星。這類天體的發現有助于揭示宇宙中反物質的來源和分布,從而更好地認識宇宙的演化過程。

不過,盡管在一些孤立的時間和孤立的區域觀測到了一些反物質,但迄今為止還沒有飛行儀器發現過宇宙中存在大量反物質的證據。這些孤立的反物質有兩種可能的來源:一是來源于一些孤立的發射點,例如正在發生很高能反應的一些星系核和類星體上產生的反物質,但它們隨后就湮滅了;二是高能粒子碰撞產生的次級產物??傊?,不管這些反物質來源如何,都不能說明有一個反物質世界存在。

沒有觀測到大量反物質,是不是就意味著沒有反物質世界呢?不一定。有人用螞蟻爬紙條來說明反物質世界和物質世界之間的關系。取一張小紙條,把兩頭粘在一起,讓一只螞蟻在上面爬。假如不允許它爬過紙條邊緣,它怎樣才能爬到紙條的另一面呢?有人提出兩個方法:一是螞蟻爬過紙帶邊緣;二是在紙帶上打個洞,讓螞蟻鉆過去??蛇@兩個方法都是不允許的,因為二者都要爬過紙條邊緣。如果我們用手分別捏住紙條的兩頭,把紙條旋轉180度,再粘在一起,紙條的兩面就變成一面了,螞蟻只要在紙條上爬行就可以輕易地爬到紙條的另一面。這個例子好比我們沒觀測到反物質世界,或許并不是因為沒有這樣奇異的世界,而是我們沒有把“紙條旋轉180度粘在一起”。換句話說,假如我們的觀測方法得當,觀測到反物質世界也許是唾手可得的事。

3 宇宙失衡之謎

從根本上講,反物質就是普通物質的鏡像。正如我們照鏡子一樣,鏡中的像與我們并無二致,數量也應是相等的。大多數理論家認為,在宇宙大爆炸期間產生的粒子與反粒子數目幾乎沒有差別。但在我們思維所及的范圍,一切都是普通物質組成的,月亮、太陽、星星、星系和星系團概莫能外,只能偶爾見到一兩個反物質或反物質噴流??茖W家把這種現象叫做“宇宙失衡”。這是一個令科學家困惑的宇宙之謎。對這種現象有兩種看似可行的解釋。

第一種解釋是,普通物質和反物質的物理性質可能存在著微小差別,使得早期宇宙過多地被普通物質所填滿。在理論上,雖然預言反物質世界可以映出普通物質世界的完美身影,但實驗已經證實“鏡子”存在著一些“劃痕”。例如CERN在1998年的實驗顯示,一些名為K中介子的特殊粒子時不時地轉變為反粒子,使得普通物質與反物質之間失去平衡。2001年。加拿大和日本的粒子加速器也發現了類似現象,而且在更重的K中介子同位素B介子之間發現了更加不均衡現象。為深入探討宇宙失衡問題,CERN準備啟用大型強子對撞機做B介子試驗,使用一臺4500噸重的探測器來尋找更多的K介子。

第二種解釋是,宇宙形成后數秒內,普通物質與反物質湮滅得不充分,它們在相互消滅對方的過程中設法逃離了出去。反物質可能就隱藏在宇宙的鏡像區,在那里,可能存在反恒星、反星系甚至反生命。最初可能普通物質多一些,或者反物質多一些,隨著時間推移,這種微小的差異擴展到宇宙的各個區域,形成了今天的普通物質與反物質的分離局面。

科學之謎終究要靠科學實驗來解答,宇宙失衡之謎也是一樣。如CERN所做的那樣,物理學家已在地面實驗室通過做實驗的方式來尋找答案。從十年前起,中日兩國科學家在海拔4300米高的西藏羊八井地區設置了分散的粒子探測器,開展宇宙射線研究,先后接收到正電子、μ子、π介子等高能粒子。后來,他們又改建了新的“地毯”式探測陣列,用以接收來自宇宙的高能射線和反物質粒子。中國科學院高能物理研究所還和意大利合作,在西藏建成世界上第一個 1萬平方米“地毯”式粒子探測陣列實驗站,目前該探測陣列的實驗廳已經完工??茖W家正在鋪設“地毯”,計劃兩年后完工。這是世界上海拔最高的科學工程,是地面宇宙線探測的重要基地。

除了地面實驗和觀測外,天文學家和空間科學家還聯袂用空間觀測手段來解疑釋惑。在3000萬光年以內的反物質,由于同普通物質碰撞而迅速湮滅,很難觀測得到,即使空間探測器遇到了它們,也無法直接觀測出來,因為今天的天文觀測大多數是接收天體發射的光子。從理論上講,普通物質的天體如果輻射光子,反物質的反天體也應當輻射反光子。光子是中性粒子,光子與反光子是同一種粒子。天文學家通過光子(包括可見光、射電波、x射線和伽瑪射線)觀測,區分不了它們是來自天體上的物質還是來自反天體上的反物質。恒星和星系除了輻射光子外,還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣,如果天文學家能接收中微子,對探測反物質是有益的??上е形⒆优c任何物質的相互作用都很微弱,很難探測到它們,因此探測中微子需要很大很大的探測器。以今天的科學技術來建造中微子探測器是非常困難的。當今世界上只有美國和日本有這樣的探測器,它們都建在地底下,并且效果都不理想。

不過,天無絕人之路,開辟道路的是阿爾法粒子。宇宙線中含有極少量阿爾法粒子,但從沒有發現過反阿爾法粒子,這說明原始宇宙線是由普通物質組成的。如果宇宙中有反物質恒星,那么宇宙線中的阿爾法粒子將與它發射的反阿爾法粒子碰撞而湮滅,產生叮π0介子,并很快衰變成伽瑪射線。因此,通過阿爾法粒子觀測就可以判斷宇宙中有沒有反恒星存在。

美國宇航局早就想設計儀器來探測阿爾法粒子,

而這個想法現在由丁肇中領導完成。儀器名字叫做“阿爾法磁譜儀”(簡稱AMS)它是進入太空的全能粒子探測器。它和地下加速器有兩個重要區別。首先,它探測的粒子能量大大高于粒子加速器激發的重原子核能量。例如,世界最大的粒子加速——CERN的大型強子對撞機可以把粒子撞擊到近7萬億電子伏特,而宇宙線的能量可以高達1萬億億電子伏特以上。其次,地面加速器是使粒子相互撞擊,而AMS是從深空選取高能粒子樣品。AMS是大型空間粒子探測器,能夠獲得很多很多數據。由于數據太多,需要在太空探測器上安裝超巨型計算機,進行必要的數據處理和向地面發送數據。為此,AMS需要2.5千瓦能源,這遠遠超過普通空間飛行器上太陽能電池板的供電能力,所以必須把它放在國際空間站上,因為后者能提供103千瓦的電源。

1998年6月2日,由中國臺灣與美國合作的I型AMS由美國“發現號”航天飛機帶入太空,在近地軌道附近飛行了10天,發現了宇宙線的許多新現象。2007年,中國科學院、東南大學和中國臺灣與美國合作的Ⅱ型AMS由美國航天飛機送入國際空間站運行。AMS實驗室對于人類認識宇宙的形成機理有著極其重要的意義,利用AMS的觀測數據有望破解宇宙失衡的奧秘。

4 反物質飛船

物質與反物質湮滅,質量可以完全轉化為能量,帶來最大的能源效率,且單位質量的產能量是核能的千百倍,是普通燃料的億兆倍,所以科學家嘗試著把反物質作為新能源進行研究和開發,試圖讓反物質在很難補給燃料的行星際飛行和星際飛行中發揮作用。

反物質推進飛船是科幻文學中最具吸引力的詞匯,也是粒子物理學中幾乎像黑洞一樣的話題。在科幻作品中,反物質是飛向行星、飛向恒星的飛船最理想的燃料。大多數自身很重的飛船都使用反物質作為燃料,把人類送上火星,需要使用成千上萬噸化學燃料,而以反物質推進火星飛船,僅僅幾十毫克就夠了,而且只需要6周時間。

任何飛船都要用火箭推進。在最基本層面上,反物質火箭仍是一種通過作用和反作用推動探測器在空間前進的牛頓火箭。目前反物質火箭的結構設計正在擬議之中,初步樣品尚未研制出來。根據科學家的提議,有以下三種供選擇的類型:直接使用反物質湮滅產生推進力;用加熱的工作流體作為推進劑;將加熱的工作流體用來發電,再使用某種形式的電動飛船推進系統。上述第一種類型,就是在反質子湮滅反應中,產生帶電和不帶電的兩種介子和伽瑪射線,帶電的介子可以用磁噴嘴做通道產生推力。這類反物質火箭是產生熱的核心裝置,但效率不高。第二種類型是利用正電子湮滅產生的熱量來排出流體。第三種類型是用湮滅伽瑪射線加熱和燒蝕船帆,由燒蝕物質提供推力。不管上述哪種類型,火箭都要利用反物質給電動空間驅動器充電,都與普通核電力火箭設計相類似,即反物質湮滅能量直接或間接用于加熱工作流體,提供動力或用來發電,給某種形式的電力空間推進器系統提供電能。

以前的反物質火箭燃料都采用反質子設計,但這種設計可行性不大,原因是這種燃料在與物質湮滅時會產生高能伽瑪射線,它就像X射線作用在甾類有機物上那樣,能穿透物質,分解細胞內分子,損害周圍生物健康,高能伽瑪射線還能擊碎發動機材料的原子,使發動機出現放射性。最新的反物質火箭燃料采用正電子設計。正電子產生的伽瑪射線能量僅為反質子的1/400,可以避免產生極具放射性污染的副作用。

先進的正電子火箭發動機叫做燒蝕發動機。它的主要工作原理是:正電子裝在小容器里,小容器放在鉛盒內。當小容器里的正電子蒸發出薄薄的一層物質時,發動機就噴出藍白色氣體。容器每秒鐘向噴嘴腔噴射很多次,所以不斷進行物質與反物質反應。正電子進入噴嘴腔后同容器相互作用,放出伽瑪射線,伽瑪射線被鉛吸收,發射低能x射線,因為x射線比伽瑪射線容易被噴嘴物質吸收,所以低能x射線能使噴嘴物質蒸發。

一個美國科學家研究小組正致力于研發采用正電子設計的反物質動力宇宙飛船。在研究中,科學家發現反物質飛船面臨兩大難題。第一個難題是反質子價格昂貴。使用現在的技術,每生產1毫克正電子大約要耗費2500萬美元,設備改善后,捕獲反質子的成本有可能降到每毫克5萬美元??上驳氖?,芝加哥郊外的費米實驗室的新設備允許產量增加10倍,即每年可生產15毫微克正電子,正電子的價格可望進一步降低。第二個難題是正電子儲存困難。粒子與反粒子碰到一起就像冰塊遇上火球,或者一起消失,或者轉變為其他粒子,所以在地球上,反物質一旦碰上其他物質就會灰飛煙滅。目前的反物質一般儲存在“彭寧阱”內,但這只適用于儲存極少量的反物質,不能作為太空反物質飛船的燃料儲存器。CERN正努力生產反氫原子,并期望能利用“伊奧夫一普里查德阱”把大量反氫原子安全地長期儲存起來。

如果這種技術被證明前景廣闊,并且能吸收到足夠的開發資金,那么正電子動力飛船就將成為人類飛往火星的工具。

有科學家認為,反物質動力飛船最 重要的優點是比較安全。目前計劃設計的“火星參考飛行器”使用核動力推進器,可以縮短飛往火星的時間,使宇航員暴露在宇宙線中的時間減少,從而增加了安全性。但是,核反應堆很復雜,在飛行中可能存在較多的安全隱患。

正電子反應器則具備核反應堆的所有優點,而且結構簡單,也沒有核污染。核動力飛船由于帶有核燃料,即使在燃料用完以后,核反應堆依然存在放射性,因此在飛船到達火星后,必須考慮讓核反應堆進入一個特別的軌道,使它至少在100萬年(即殘留的放射性降低至安全水平所需的時間)內不與地球相遇。而正電子動力飛船在正電子反應堆燃料用完后不會留下放射性,即使正電子反應器意外地重返地球大氣層,也不存在安全問題。此外,如果火箭攜帶的核反應堆發生爆炸,必定向大氣層釋放放射性粒子,而正電子動力飛船如果發生爆炸,它將釋放伽瑪射線,而伽瑪射線瞬間消失,沒有放射性粒子隨風飄移。在爆炸的一剎那間,釋放的粒子局限在一個狹小區域內,危險區限制在飛船周圍約1千米范圍,與一枚普通大型化學火箭巨大爆炸造成的危險區大小相同。

正電子動力飛船的另一個重要優點是速度。核動力飛船載宇航員去火星需要180天,而先進的正電子動力飛船只要一半時間,或許只要45天就夠了。

5 反物質武器

科學家還嘗試利用反物質制造反物質武器。

反物質武器是一種以反物質作為能量、推進劑或爆炸物的器件,是想象中的擁有超強力量的武器,目前還僅存在于科幻小說中。不過,美國空軍已對其可能的軍事用途,包括毀滅性效果產生了興趣,他們一直在資助與反物質有關的物理研究。

反物質武器的保密性很強,相關資料釋放得很少。從其中的只言片語中我們可以知道,反物質炸彈不但易于引爆,而且不產生核輻射,是一種“干凈的氫彈”。它擁有氫彈的爆炸威力,卻不造成核污染;它不像原子彈那樣必須達到臨界質量才能爆炸,而是在特別微小的質量下也能爆炸;它還不像氫彈那樣要求很高的點火溫度。這是一種可作為熱核爆炸或激發極強x射線或γ射線的“扳機”武器。

核武器專家認為,反物質武器是第四代核武器。

第一代是“二戰”期間美國在日本廣島和長崎投下的原子彈,稱為钚彈,是利用钚核裂變反應釋放的能量制造的。中國爆炸的第一顆原子彈是利用鈾核裂變反應釋放的能量制造的,稱為鈾彈。它們都屬于第一代核武器。幾年后,氫彈試驗成功。它是利用輕核(氘、氚)聚變反應釋放的能量制造的,屬于第二代核武器。后來為了增強或減弱核武器某些方面的毀傷作用,又制造出了中子彈、沖擊波彈、感生放射性彈、x射線彈和弱剩余放射性武器等,它們屬于第三代核武器。第四代核武器就是反物質武器。

反物質武器具有第四代核武器的共同特點。其一,雖然威力巨大,但其附帶殺傷效應較小。新一代核武器強化了核反應中的部分殺傷效應,同時抑制了其他殺傷因素和破壞因素的產生。其二,殺傷手段與殺傷、破壞目標更為單一。新型核武器可只應用爆炸產生的沖擊波、電磁脈沖或是其他殺傷、破壞因素攻擊特定目標,使用者在使用核武器攻擊時有更大的選擇余地。其三,研究手段中高科技含量非常高。南于反物質本身之謎還沒解開,要想把反物質武器投入戰場,還需要很長時間。

如何制造反物質

地球上沒有現成的反物質,那怎樣才能獲取反物質呢?有兩種辦法,一是到宇宙中去尋找,二是在實驗室里制造。氫原子的構造最簡單,原子核中只有一個質子,核外只有—個電子,因此制造反氫原子比較容易。人工制造反氫原子的程序是:將高速原子核和質子相撞,產生反質子;用減速器將反質子速度減到1/10光速后,儲存到由強磁場做成的“彭寧阱”里,再用電場將其進一步減速;另一方面,由放射性衰變收集來的正電子也用電磁場做的“阱”來減速和儲存;最終,讓低能反質子和正電子在“彭寧阱”里結合,形成反氫原子。1995年,采用這套程序,在瑞士日內瓦建成世界上第一個反物質研制工廠——歐洲核子研究中心(CERN),并且制造出了第一個反氫原子。截止目前,已制造出近5萬個反氫原子。

在反物質制造當中,一個重要的環節是反物質的儲存。反物質不能與物質接觸,否則它們一接觸就立刻湮滅,生成伽瑪射線。釋放中微子。所以反物質是不能儲存在容器里的。帶電的反物質一般儲存在“彭寧阱”里,不帶電的反物質由于磁場對它不起作用,目前尚無合適的儲存方法。

反物質的應用

如果制造出了反物質,那它們有什么用處呢?主要可用于以下方面。

醫藥 反物質與物質的反應在醫療影像上已有實際應用,正電子發射體斷層掃描就是一例。在β+衰變中,由于發射了一個正電子,核素就失去一個多余的正電荷,一個質子變成一個中子并發射一些中微子。失去的正電荷很容易在回旋加速器中產生出來,這種反物質在醫療上得到了廣泛的應用。

燃料 在諸多能源中,正、反物質碰撞產能率最高,1千克反物質可產生9億億焦耳能量,約比相同數量的物質化學能大100億倍(比梯恩梯炸藥的能量大200億倍,比生成水的能量大60億倍,比今天的核裂變釋放的核能量大1萬倍,比核聚變釋放的能量大100倍)。由于其質量能百分之百地轉換成能量,所以1千克反物質與1千克物質反應能產生18億億焦耳能量。

不過,反物質的能量轉化率雖高,卻不能用于使用便攜式發電機的定期運輸和城市照明等日常生活用途,因為在核與反核之間的反應中,產生的能量約有一半被中微子帶走,在理想情況下效率也只有50%。而在制造反物質的過程中,每一個過程都要消耗大量能源。此外,反物質是稀罕之物,在我們周圍3000萬光年以內不存在“天然”反物質,而目前人工生產的反物質非常有限,目前的產量僅為每年1~10毫微克,預計在歐洲核子研究中心和費米實驗室新的加速器設備安裝后,在2015年或2020年每年可生產3~30毫微克反物質。即使到那時,也是杯水車薪。難以為繼。研究人員指出,利用當前的技術,即使通過優化碰撞和收集參數,美國反物質的生產成本每毫克仍高達2500萬美元。所以,在氘一氚聚變發電技術應用之前,除了反物質催化核脈沖的推進力可以用在空間飛行器上之外,經濟的純反物質推進器不大可能投入使用,在日常生活中的應用更是遙遙無期。

人類認識物質的過程

物質是什么?在過去的2500年里,物質概念發生了明顯的變化。

●公元前600年,古希臘的塞利斯注意到,琥珀摩擦毛皮后產生吸引頭發和其他輕的物體的神秘力量。

●公元前460年,古希臘的德謨克利特發展了一個把物質分成越來越小的小塊的概念,直到它不能分割為止。他把這些最小物質叫做原子。

●公元1687年,艾薩克·牛頓應用建立在原子理論基礎上的觀點解釋氣體定律。

●公元1803年,英國化學家約翰·道爾頓系統地提出他的理論:一切物質都是原子構成的,化學反應來自這些原子的結合和分離,原子具有自己的特性。

●1897年,英國物理學家J·J·湯姆孫發現了電子。并且提出,物質模型類似于“布丁中的葡萄干”。

●1911年,英國物理學家歐內斯特-盧瑟福用氦核(阿爾法粒子)轟擊金箔,記錄到大多數阿爾法粒子穿過金箔后不變,但有一些往一切方向偏轉,有的甚至彈回到自己來的方向。他得出結論,物質大多數是真空的空間,由中心為一個小的正電荷周圍包圍著帶負電的粒子組成。

●1924年,法國的路易斯·德布羅意提出,物質像光一樣由波組成,而不是由粒子組成。

●1925年,奧地利物理學家歐文·薛定諤形成一個把整個原子作為相互作用波的模型,粒子就像小提琴琴弦上的振動,它們只封閉在一些圓上。

●1926年,德國物理學家維爾納·海森堡提出“不確定性原理”,指出你不能同時知道粒子的位置和動量。其中一個你知道得最好,另一個你就了解得最差。原子現在被視為由電子波云包圍的一個核。

●1960年,美國物理學家默里·蓋爾曼提出,原子中的質子和其他基本粒子由更基本的粒子——夸克組成。

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