关于反物质的十件事:人体也会释放反物质
时间:2017-12-07

  反物质十件事:人体释放反物质

  除了我们常见的材料外,宇宙中还有反物质。自从1928年英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)预言反物质的存在以来,反物质一直是科学家的眼睛,科学家们认为反物质的研究在高能物理和宇宙演化领域具有重要意义,深入研究反物质是解开宇宙起源之谜的重要组成部分。

  反物质也是许多科幻小说的标准。例如,在电影“天使与魔鬼”中,电影“达芬奇密码”的姊妹,只含有0.25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去;和“星际迷航”中的企业航空航天物质反物质湮灭所产生的强大推力获得了超光速的飞行速度。

  在粒子物理学中,反物质是由反粒子组成的特殊物质。抗粒子具有与粒子相同的质量,但具有相反的电荷和旋转。这些反粒子结合在一起形成反物质。例如,正电子(电子反物质)和反质子可以形成反氢原子。

  另外,还有许多反事物特征让我们兴奋不已。由费米国家实验室和斯坦福线性加速器中心(SLAC)联合开发的Symmetry杂志网站列出了10件事情。

  积极和消极的材料不对称

  1928年,狄拉克预言了正电子反物质电子的存在。

  1932年,美国科学家卡尔·安德森(Carl Anderson)在研究遥远宇宙的宇宙射线的过程中发现了正电子,证实了狄拉克的预言,激起了科学界的震撼和轰动,是偶然的还是普遍的? ,那么其他粒子是否具有反粒子呢?因此,科学家在微观世界的研究中也增加了一个搜索目标。

  1936年,安德森因发现正电子而获得诺贝尔物理学奖。其他基本粒子的反粒子也陆续被发现。 1955年,美国研究人员创造了第一个反质子,即带负电的质子。

  如今,宇宙中有大量的正粒子。但是,没有发现由反粒子组成的稳定的反物质。这表明宇宙中的正负物质不是严格对称的,否则所有的物质都会消失。

  宇宙起源的标准理论认为物质和反物质是在大爆炸开始时成对或等量产生的。当物质和反物质相遇时,它们相互湮灭,只剩下能量。所以理论上我们都不应该存在。然而,这种情况并非如此。今天留下的绝大多数是积极的粒子。这被称为物质利弊的对称破坏(对称破缺),虽然在几个粒子中碰撞测试中,发现正粒子和反粒子的衰变有些不同,但是在数量上还是不够的解释为什么反物质现在消失了。这在粒子物理学中仍然是一个很大的谜团。科学家我们也做了很多的解释。

  物理学家现在正在尽力研究,希望最终澄清这种不对称,也许是答案揭露的那一天,也将启动一个新的天文时代。

  反物质比你想象的更近

  少量的反物质以宇宙射线和高能粒子的形式不断下降到地球上。这些反物质粒子以每平方米1至100个的范围达到大气。

  但其他反物质来源实际上近在眼前。例如,香蕉也会产生反物质,每75分钟就释放一个正电子。这种现象的原因是香蕉含有少量的钾-40。钾-40是钾的天然同位素,在衰变过程中释放正电子。

  身体还含有钾-40,这意味着身体也释放正电子。作为曾经与物质接触的反物质,它们将互相湮灭,因此,这些反物质粒子寿命很短。

  昂贵但难以匹配

  尽管物质反物质的湮没有释放大量能量的潜力,1克反物质或可以产生相当于核爆炸的爆炸,但人类目前产生的反物质却是可怜小的。

  1995年,欧洲核子研究中心的科学家们在实验室里创造了世界上第一个反物质抗氢原子; 1996年,费米的国家加速器实验室成功地生产了七个反氢原子。 2000年9月18日,欧洲核子研究所成功生产了约5万个低能量反氢原子,这是人类在实验室条件下第一次大量生产反物质。 2011年5月初,中国科学技术大学与美国科学家合作,创造了迄今为止最重的反粒子反-4。

  然而,迄今为止,Fermilab的Tevatron生产的所有反质子的组合仅为15纳克(十亿分之一克);然而,CERN所做的所有反质子加起来仅为1纳克;德国制造的电子同步加速器(DESY)制造的正电子的总数大约是2纳克,即使所有这些反物质同时湮灭,它们也不会产生足够的能量来煮沸一杯水。

  根本问题在于制造和存储反物质的效率和成本。由于反物质一次是由加速器产生的,高能粒子碰撞目标产生反粒子,然后减速合成,这个过程所需的能量远大于湮灭释放的能量,反物质非常低:大约需要25 1015千瓦时的能量来制造1克反物质。因此,就生产成本而言,反物质是世界上最昂贵的物质。

  使用井举行反物质

  反物质也很难被捕获和储存。由于反物质遇到积极的物种就会立即消灭和爆炸,我们将无法使用任何积极材料制成的容器来储存它,我们必须为它们建造一个特殊的家园。

  带电反物质粒子如正电子和反质子可以存储在潘宁陷阱中。这些装置可以被认为是小型加速器,依靠磁场和电场,使得颗粒不会与井壁碰撞,使其螺旋运动。据报道,目前美国宇航局和宾夕法尼亚州立大学的科学家已经能够使用潘宁离子阱存储1010个反质子一个星期。但彭宁离子阱对反氢原子等不起作用,因为反氢原子不带电,不能被电场锁定。相反,他们被关在所谓的邑陷阱。

  事实上,地球的磁场也类似于某种类型的反物质陷阱,2011年,意大利的一个科学小组利用宇宙射线探测器在范艾伦辐射带成功发现了一个反质子,存在的区域为350〜距离地球表面600公里。这项研究证实了地球磁场可以捕获反质子的理论。

  反物质可能向上飞

  爱因斯坦的广义相对论告诉我们,引力对任何事物都有同样的影响,标准模型理论也预测引力对物质和反物质的影响应该是相同的,那么引力的作用就会使反物质失效或如果反物质行为完全不同,他们会颠覆现有的物理学理论吗?欧洲核子研究中心正在进行的宙斯盾(Aegis)实验和反氢激光物理(ALPHA)实验都试图找出。

  当然,观察重力对反物质的影响并不像看到苹果从树上掉落那么简单。这些实验要求将反物质储存在井中或冷却到绝对零度以上的温度,以减慢反应速度以获得更好的能见度。而由于引力是最弱的力量,物理学家必须在这些实验中使用中性反物质粒子来防止干扰更强大的电场。

  粒子减速器减缓反物质

  我们中的许多人已经熟悉粒子加速器,但是你知道有粒子减速器吗? CERN有一个名为Antiproton Decelerator的设备。 2000年8月10日,CERN宣布反质子减速器投入使用。

  这种防质子减速器是一个周长为188米,成本为1150万美元的圆形混凝土箱体。它利用磁场使高能量的反质子和正电子冷却,减速和积聚,最终形成大量的抗氢原子束缚在电磁场上,这些冷抗氢原子只比它稍高绝对零度几度以后研究反质子和反氢原子的性质和行为提供了原子的可能性。

  2014年,CERN低速反质子原子光谱与碰撞实验室(ASACUSA)首次成功制造了抗氢原子束,将正电子与反质子阻滞剂产生的低能量反质子混合,检测到一束80个抗氢原子,高达2.7米的反物质束。

  中微子或自己的反粒子

  与物质粒子及其反粒子伙伴携带的负荷相反,科学家们可以很容易区分。然而,中微子质量小,与其他物质的相互作用小,因此不收费。因此,科学家们认为,中微子可能是粘粒(与反粒子相同的粒子)。 20世纪30年代,意大利物理学家Ettore Majorana提出中微子可以作为反粒子。

  中微子型粘胶探测器的探测和EXO-200在美国的探测都是通过寻找一种称为双中子衰变费米子的行为来确定一个中微子是不是一个中场。一些放射性核子会同时衰变,释放两个电子和两个中微子。如果中微子是他们自己的反粒子,那么他们会在两次衰变之后立即消灭对方,科学家只会看到电子。

  寻找中微子可以帮助科学家解释反物质的不对称性。物理学家认为中微子更轻更重。目前有轻微的中微子,重的中微子在大爆炸之后才出现。

  反物质在医学中起着积极的作用

  迄今为止,许多人还没有发现和制造反物质粒子如正电子体,这并不奇怪。尽管科幻小说中所描述的大量反物质的制作和存储尚不可能,但反物质已被用于许多医院所使用的正电子发射计算机断层摄影(PET)装置等较小规模的装置上,正电子发生器高清晰的身体图像。

  发射正电子的放射性同位素(例如香蕉-40中的钾)附着在化学物质如葡萄糖上,并一起注入血管中。释放正电子,正电子与人体电子相互湮灭,这种湮灭过程产生的伽玛射线可以用来构建身体的图像,并为医生提供诊断依据。

  欧洲核子研究中心的科学家一直在研究使用反物质作为癌症的潜在治疗方法。物理学家发现,他们可以用安全通过健康组织后释放能量的粒子束攻击肿瘤。反质子的使用可以增加一堆能量。科学家们发现这种技术在仓鼠细胞中是有效的,但是到目前为止还没有人类的相关研究。

  大爆炸之后的反物质或仍然潜伏

  科学家一直希望找出大爆炸留下的反物质,以解决物质反物质不对称的奥秘。

  国际空间站上阿尔法磁谱仪(AMS-02)的任务包括搜索这些粒子。这种先进的探测器于2011年与奋进号一起起飞,被视为能够导致反物质神秘结局的科学武器。未来十年左右,它将在这个最理想的地方探索反物质和反宇宙存在。另外,它的使命包括在宇宙中寻找暗物质和探索宇宙射线。

  AMS-02是人类进入太空的最大磁力计,可以识别数十亿事件中的反粒子。这意味着比以前的实验提高了三个数量级的精度。以这样的精度,探测器将以前所未有的精度检测宇宙射线谱的组成。

  AMS-02内部有一个强大的永磁体,带电粒子和反粒子将在其作用方向相反的偏转方向上,使物质和反物质分道扬but,但不会相遇湮灭。

  宇宙射线碰撞通常产生正电子和反质子,但由于过程所需的大量能量,产生反氦原子的可能性非常低。这意味着即使只有一个反氦原子核被发现,也可以证明宇宙中某处存在大量的反物质。这些物质是在大爆炸之后诞生的,他们的发现将是对当今宇宙认识的真正突破。

  反物质还有很长的路要走

  反物质的潜在和非常有吸引力的用途是为“星际迷航”火箭制造超级燃料。

  科学家早就发现,当反粒子和粒子在高能碰撞下湮灭时,大量的能量被释放出来。而且这种释放能量的速度远远高于炸弹,氢弹,大约能产生几克能量就相当于一颗战略炸弹。由于这种性质,反物质在科幻小说中经常成为航天器的燃料。在“星际迷航”系列电影中,企业飞船可以实现歌速飞行,光速达到宇宙中的任何一个地方,是它的反物质动力系统。

  肯特州立大学的高级研究员张维明和西太平洋学院的罗南·基南(Ronan Keenan)分析显示,反物质火箭可以达到70%的光速。从理论上讲,可以用反物质作为火箭燃料,但是在实际应用这个新概念之前,必须解决稀疏反物质和存储两大问题。

  目前,科学家还不能大规模地制造或收集足够的反物质。经过近半个世纪的研究,人类现在只能保存反物质(反氢)长达1000秒。据媒体报道,2011年,欧洲核子研究中心的科学家成功地将反氢原子数达到了309秒,达到了1000秒,比以前高了5000倍。

  然而,科学家是一群清楚知道有老虎和老虎的人,许多科学家正在进行反物质的制造和储存研究。如果将来有一天,科学家们能够找到制造或收集大量反物质的方法,那么反物质驱动的星际旅行就有可能从梦想变为现实。

  但有趣的是,当反物质火箭投入使用时,乘客也必须习惯于所谓的相对论效应。在接近光速的时候,时空不会这么快。简而言之,从地球到半人马,地球上的钟表需要6年左右的时间,但实际上花了不到4年半的时间。

  事实上,人体也释放反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入,人们对反物质的作用必将加深理解,使反物质世界对人类有所贡献。

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