反物質究竟是什么？解讀反物質的發現史以及可能存在的反世界！

我認為反物質的發現可能是本世紀物理學所有重大飛躍中最大的飛躍。”-沃納·海森堡

要說宇宙中什么東西最神秘，莫過于我們這個世界的反版本。也就是我們常說的反物質，今天我們就來談論反物質的發現史及其令人驚嘆的特性和難以置信的神秘。讓我們從以下幾個方面開始追蹤反物質之旅吧！

1. 數學解和物理解的關系
2. 反物質預言與發現的科學史
3. 反物質粒子的性質
4. 如果粒子和反粒子彼此靠近會發生什么？
5. 反物質世界存在的可能性
6. 結論——反物質能否被我們利用？

正負數學解和物理解

物理和數學是很好的朋友。物理依賴于數學來表達物理定律，而數學依賴于物理的大部分內容。在很多情況下，當我們的常識和直覺成為理解物理世界的障礙時，最好的辦法就是依靠數學來指導我們來沖破常識的桎梏，例如，在理解量子粒子奇異的不合邏輯的行為時，我們可以相信數學比我們的直覺更準確地描述了現實。

但現實并不總是如此，有時候數學會做出一些沒有物理意義的奇怪預測。比方說，你正在設計一個導彈發射系統。所以，你必須通過數學計算出正確的導彈飛行軌跡，可以使它擊中正確的目標位置。為此，你需要求解這樣一個方程y = ax2+ bx + c來算出發射速度和發射角度。由于方程中含有x2，所以導彈落地的點有兩個解。在這兩個解中，一個正確的解決方案將是物理方案，顯示出導彈將以正確的方式被發射到正確的地點。然而，另一個解決方案會給你一個荒謬的答案:它會告訴你初始速度應該是負的，負值意味著你必須把導彈向后并直接射向地面(而不是空中)，意思是要穿地而過，這是一個正確的數學解，但不是正確的物理解，所以我們不得不拋棄它。

導彈根據兩個數學解發射。

所以，在大多數情況下物理學家已經習慣了忽略那些在物理意義上似乎不合邏輯的數學解。并放棄非物理的解決方案，認為它們只是數學產物，并不是對我們宇宙的真正洞察。不過在科學的發展中總是被事實啪啪打臉，我們的直覺為何總是和真理相悖，這些不合邏輯的數學解中可能真的包含著諾貝爾物理學獎，反物質就是一個鮮明的例子。

保羅·狄拉克方程對反物質的預言

保羅·狄拉克

1928年，英國物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)正在研究描述電子高速運動的量子行為的方程式。這個時期也是物理學徹底顛覆我們對宇宙天真看法的時候。

• 一個是量子力學使我們在最低層次上重新思考現實的本質。
• 一個是著名的狹義相對論，它的復雜性足以給整個科學研究帶來一場革命。

?狄拉克也深受(量子力學和狹義相對論)的影響和熏陶，并通過使用它們，他發明了一個方程(稱為狄拉克方程)描述快速移動電子的行為(電子薛定諤波動方程的相對論版本)。

狄拉克發現他的方程對于帶負電的電子都非常有效，但是方程也適用于帶相反電荷的電子。這意味著，他的方程表明物理定律不在乎電子到底帶哪種電荷，所以對帶正電荷的電子也同樣適用，他稱之為正電子。這種反電子在許多方面與電子相似:它有相同的質量和量子特性，只有電荷相反。以前從未觀察到這樣的粒子。

這就到了我上文提到的正負數學解發射導彈的問題，一些物理學家可能會試圖把這個結果當作數學假象或負解來忽略。但是狄拉克很感興趣，因為這些并不是禁止反電子存在的物理定律。在正電子還沒發現的時候，狄拉克根據自己的方程進一步提出所有粒子都有相應的反粒子。因此，因此他不僅預言了一種新的單一粒子，而且預言了一種全新的粒子。綜觀物理學史這種大膽的真知灼見往往都能接近真理，也能接近諾貝爾獎，這給了我們生活一個啟示，下次我們遇見新的事物和看法一定先要大膽接受，回去慢慢分析研究，切記不能武斷，物理學家們給我們上的課已經不少啦。

在1932年，一位物理學家卡爾·安德森發現了真正的反電子并命名它們為“正電子”。這證明了狄拉克的預言。狄拉克于1933年獲得諾貝爾物理學獎，安德森于1936年獲得該獎。查爾斯·珍妮特在1929年甚至提出了一個完整的反物質周期表。目前，我們已經發現了幾乎所有亞原子粒子的反版本。

• 反物質的想法并不是很新，這些想法出現在過去的一些理論中。

“反物質”一詞最早是由阿瑟·舒斯特爾在1898年為《自然》雜志撰寫的文章中使用的，他在文章中創造了反物質一詞。他推測了反原子的存在，還假設了整個反物質太陽系的存在。他還討論了物質和反物質相互湮滅的可能性。他的想法不是一個理論和數據作為支撐，只是一種推測和猜想。他還認為反物質應該具有“負引力”。所以，狄拉克的想法并不是很新。但是他給出了完整的數學理論支撐，使得反物質存在更加可信。

反物質粒子的性質

歐洲粒子物理研究所的大型強子對撞機歐洲核子研究中心

事實上，科學家現在已經觀測到反粒子很多次了。目前，我們所知道的幾乎每一個帶電粒子都被證實具有反粒子。反粒子很容易通過粒子碰撞形成。在歐洲核子研究中心，每年都會產生幾微克的反粒子。來自太空與大氣碰撞的宇宙射線有時也含有反粒子。

反粒子是我們在物理學在微觀層面中發現對稱性的一個很好的例子。你可以想象粒子和反粒子是同一枚硬幣的兩面。粒子的副本也以不同的方式存在:每個亞原子粒子也有兩個較重的表兄弟。例如，電子有μ介子和τ粒子與電子具有幾乎相同量子特性(如電荷和自旋)，但它們得質量更大。所以我們看到，電子有兩個更重的表親和一個反粒子。當然，較重的表兄弟μ介子和τ粒子也有他們的反版本。

根據一種被稱為“超對稱性”的推測理論，每個粒子都有另一種鏡像——“超粒子”，它與原始粒子非常相似(相同的質量、電荷等)，但具有不同的量子自旋。所以我們看到物質粒子充滿了雙胞胎，堂兄弟甚至克隆體。

那么問題來了:為什么會有這兩個版本的粒子存在？我們為什么不在日常生活中觀察它們呢？

如果粒子和反粒子彼此靠近會發生什么？

物質和反物質的湮滅|小游戲

如果一個外星人降落在你家后院草坪上，當你伸出手臂表示歡迎時，先拿一個小物件仍它一下，如果發生了爆炸，那么外星人很可能是反物質構成的。如果不是,那么您可以繼續把它帶給你們領導。”?-尼爾·德格拉斯·泰森

?在科幻小說中，我們看到許多不可思議的物理現象誕生于作者的想象之中，但大多數東西(如時間旅行、瞬間移動、比光旅行更快等)。)在現實生活中是不存在得。就像科幻小說描述得一樣，據說當一個粒子接觸到它的反粒子時，它們會爆炸？

這一點確實沒有虛構，實際上事實證明這是真的。當雙胞胎(粒子和反粒子)相遇時，他們不僅僅擁抱在一起，他們還會徹底摧毀對方。它們的質量完全轉化為高能粒子，比如光子或者膠子，不會留下原始粒子的任何痕跡。這個過程叫做“湮滅”。這不僅發生在電子和正電子上，而且發生在夸克與反夸克碰撞或者μ子遇到反μ子的時候。

正負電子湮滅

正反物質湮滅釋放的能量非常高，因為質量儲存了大量的能量。愛因斯坦的著名方程E=mc2表明質量和能量是相互關聯和相互轉換的。如果一克反粒子與一克正常粒子結合，就會釋放出超過4萬噸的爆炸力，相當于二戰中使用的原子彈威力的兩倍多。

粒子在湮滅時實際上不會互相接觸。它們實際上也不是我們想象得小球，而是量子力學物體。他們沒有任何表面。當兩個粒子(粒子和反粒子)彼此靠近時，你可以把它們的量子力學想象成合并，兩個粒子消失在另一種形式的能量中(最有可能是光子)。從這種能量中也可能出現各種類型不同的粒子。這正是我們每天在大型強子對撞機上粉碎粒子以創造新型粒子時所發生的事情。

這實際上提出了一個觀點，即所有粒子碰撞都會導致原始粒子湮滅成新粒子。但是粒子和反粒子相互作用的區別在于它們是彼此的鏡像，電荷相反。所以它們對彼此有很強的吸引力，更容易發生碰撞。它們也是完美的互補，碰撞后湮滅成中性的東西(比如光子)，不會產生新的粒子。

應該記住的另一件事是，當粒子相互作用(碰撞)時，電荷不可能憑空產生，也不可能被摧毀。碰撞前后粒子的總電荷必須相同。為什么會這樣？我們目前還不知道。我們只是在現實生活實驗中觀察到了這種模式，并將這些規則納入了我們的理論。

反原子結構與|原子核電結構的比較

當電子和正電子彼此靠近時，它們相反的電荷(+1和-1)將它們拉向對方，在它們碰撞后，相反的電荷完全抵消了對方，讓它們所有的存在痕跡完全消失。

如果我們加速其他帶相同電荷的粒子碰撞，這就不會發生湮滅。例如，如果我們抽離兩個帶電荷(-1和-1)的電子，作為一個整體，電荷-2必須守恒，這將不允許電子完全湮滅，碰撞后并可能產生一些新的帶電粒子。

你可能會問，電荷不是唯一需要守恒東西。如果我們需要兩個電荷相等和相反的粒子，電荷為-1的電子和電荷為+1的反μ子能湮滅嗎？答案是不能。在我們的宇宙中還有另一個關于湮滅的定律，那就是“電性”和“介子性”(基本上是量子性質)必須守恒。我們不能用非電子摧毀電子。它只會對它的反粒子正電子起作用。對電子的表兄弟μ子和τ來說也一樣。

反物質和我們反版本的可能性

反物質構成的地球，可能嗎？

我們看到，反粒子和正常粒子是一樣的，可以互相湮滅，將整個質量轉化為能量。事實也證明，就像普通粒子一樣，反粒子可以自我組裝形成反版本的更復雜的粒子，如質子和中子。例如，如果我們取兩個反下夸克和一個反上夸克，并把它們結合起來，我們就有可能產生一個反中子。這種反中子仍然像普通中子一樣是電中性的，但是它的內部將由反粒子組成。同樣，我們可以通過組合兩個反上夸克和一個反下夸克來制造一個反質子，這與質子相似，但帶有負電荷。

反水

在此之后，我們可以更進一步，創建更復雜的結構。一旦我們有了反中子、反質子和反電子，我們就有可能制造出反原子!如果我們把一個反電子和一個反質子放在一起，反電子就會繞著反質子轉，我們就會得到一個反氫原子!同樣地，如果我們聚集了足夠的反粒子我們就能制造出任何東西的反版本。例如，如果我們把兩個反氫原子和一個反氧結合，我們可能會得到反水。這種水會有和普通水一樣的感覺和物理特性。但是如果我們喝了它，這并不會讓我們感覺到清爽透心涼，而是爆發出大量的能量。

再進一步，我們可以找到任何東西的反版本，甚至是蛋白質和DNA。如果發生這種情況，你可能會發現一個反地球和一個反你的人，除了那個反他/她是由反物質組成的(再考慮到無限宇宙中任何事物的可能性)，他/她可能和你長得一模一樣，也許反他/她就是你。

事實上，如果我們是由反粒子組成的，那么我們就把它叫做“物質”，而把普通粒子叫做“反物質”。這些只是任意的名字，沒有別的。沒有誰愿意把自己的東西很“反”掛鉤。反外星人也稱它們是由正物質構成的。

但是，所有關于反物質的討論提出了一個問題:這些反物質在哪里？

結論——反物質能否被我們利用

一切都是從無中生有中創造出來的，為了保證能量守恒。宇宙中也應該存在反物質和我們物質世界對立。那關于能量，我們能有一種能消耗常規能量的反能量嗎?沒有發現任何類似的東西。能量被認為是中性的，并且它也被推測在更高的維度中泄漏。我們還沒有觀察到反光子，和反版本的光。

反物質宇宙飛船

現在回到反物質。物質和反物質中儲存的能量非常高。我們可以從反粒子湮滅中產生大量能量。這導致我們的工程師推測這種能量可以用來驅動宇宙飛船。反物質驅動的宇宙飛船可能是探索這個巨大而神秘的宇宙的有效方法。然而，美國宇航局警告這個想法有一個巨大的陷阱:一毫克反物質大約要花費1000億美元。同樣，創造反物質需要巨大的能量，超過我們從反物質反應中得到的能量。因此，目前在經濟和技術上實施這一想法是不可行的。

但是這并沒有阻止美國國家航空航天局和其他機構努力改進技術，使反物質航天器成為可能。然而，據推測，在未來大約40-60年內有可能使用反物質。

?“上帝創造了…光明與黑暗，天堂與地獄;科學說法一樣的宗教,宇宙大爆炸創造了宇宙中的一切相反,包括物質,反物質。”?——丹·布朗