反物质是什么

反物质是什么
反物质是什么

反物质是什么
反物质（antimatter),一切反粒子及其集合的总称.反粒子是相对于“正”粒子而言的.按照量子场论,反粒子和它所对应的正粒子都是同一场的激发,它们之间以确定的方式相联系.粒子和与它对应的反粒子有某些物理量完全相同（如质量、自旋等）,有些物理量大小相等但符号相反（如电荷、磁矩、奇异数等）.对于某些粒子来说,用于区分正反粒子的所有物理量为零,这些粒子的反粒子就是它们自身,这种粒子被称为真中性粒子.例如,正电子是电子的反粒子（正电子带正电,电子带负电）,反质子是质子的反粒子（质子带正电,反质子带负电）,光子则是一种真中性粒子.正粒子和与它对应的反粒子相碰可以转变成光子或介子,这个过程称为正反粒子对湮没,其反过程也存在.例如,正、负电子可以湮没成光子,光子在一定条件下也可变成正、负电子对.
20世纪60年代以来,关于强子结构的夸克模型获得重要进展.按照夸克模型,强子由夸克和反夸克组成,例如重子由3个夸克组成,介子由正、反夸克组成.另一方面,现代宇宙学中有一种假说,运用反物质和正物质对称的观点研究宇宙的起源和结构,推测可能存在大量反粒子集中的反物质区域,认为反物质和由正粒子组成的物质体系相碰,也会发生湮没,并认为这种湮没及其反过程在宇宙的演化中起着重要作用.反物质的发现和有关物质的物理学说的发展,说明了物质形态的多样性和统一性.但自然科学中所说的反物质是关于物质形态和结构的概念,不是同哲学的物质范畴相对立的概念.
反物质是正常物质的反状态.当正反物质相遇时,双方就会相互湮灭抵消,发生巨大爆炸,并产生巨大能量.能量释放率要远高于氢弹爆炸.反物质概念是英国物理学家保罗•狄拉克最早提出的.他在上世纪30年代预言,每一种离子镀应该有一个与之相对的反粒子,例如反电子,其质量与电子完全相同,而携带的电荷正好相反.根据大爆炸理论,宇宙诞生之初,产生了等量的物质与反物质.可能由于某种原因,大部分反物质转化为了物质,或者难于被观测到,导致在我们看来这个世界主要有物质组成.前不久,一个由日本和美国科学家组成的研究小组,计划从今年开始在南极上空放飞气球,捕捉反物质天体释放出的反粒子,寻找反物质天体如反星系存在的证据.日美研究小组曾在加拿大用气球进行观测,该地区受地球磁场和大气影响很小,但为了不让气球飞跑,必须当天回收.而在南极上空,气球可持续飞行两周,观测数据能大幅度增加.目前,人们发现和制造的反物质粒子虽然不多,但正电子作为反物质的一种形式美已经有了许多实际用途,例如,正电子发射X射线层析照相术（PET）,医生利用它对人体进行扫描,不仅能得出病人软组织的详细图像,而且能够观察人们体内的化学过程以及在进行认识活动时大脑各部分消耗“燃料”的速度.
反物质是物质的镜像.物质由原子组成,原子又由质子、中子和电子组成.质子带正电,电子带...通常物质中没有发现过反物质,即使在实验条件下,反质子也一瞬即逝.
当你照镜子时,看一看在镜子中的那个你,如果那个镜子里的家伙真的存在,并出现在你的面前,会怎么样呢?
科学家们已经考虑过这个问题,他们把镜子中的那个你叫做“反你”.他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界,或者说是我们的世界在镜子里的像.它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界.但是反物质是什么,这一切又可能是真实的吗?
对于“反物质是什么”这个问题,并没有恶作剧的意味.反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面,而一般物质就是构成宇宙的主要部分.直到最近,宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的.在1928年,英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）.Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性.Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子.而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在.这些反粒子,顾名思义,是一般物质的镜像.每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量,但是电荷相反.以下是20世纪发现的一些反粒子.
正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子.由CarlAnderson在1932年发现,正电子是反物质存在的第一个证据.反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子.由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子.
反原子——正电子和反质子组合在一起,由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）.共制造了九个反氢原子,每一个的生命只有40纳秒.到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个.当反物质和物质相遇的时候,这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸,放射出纯的射线,这些射线以光速穿过爆炸点.这些产生爆炸的粒子被完全消灭,只留下其它亚原子粒子.物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量.科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多.所以,为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢?建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏.如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质,我们将可能看到围绕我们的这些反应.既然我们的周围并不存在反物质,我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光.
在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的.如上所述,粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了.并且因为开始的时候有更多的粒子存在,所以现在的粒子是所有留下来的那些.今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子.但是,在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源.如果那个地方真的存在,也意味着存在天然的反物质,所以我们将不再需要制造反物质.
但是目前,我们将不得不创造我们自己的反物质.幸运的是,通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的.离子加速器,象CERN,是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道,超磁场可以使原子以接近光速的速度推进.当原子通过加速器出来时,它轰击目标,创造出粒子.这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子.这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子.一毫微克是一克的十亿分之一.所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟.如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现.