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1克万亿美金的“物质”,不能摸,但可以装起来

把科学带回家  · 公众号  ·  · 2019-11-25 06:00

正文

本文由《万物》杂志官方微信
把科学带回家 ” 提供

今天介绍世界上最贵的“物质”,它们不能摸,一摸就消失。但是,科学家们却可以把它们装起来。这是怎么回事呢?


参考资料 NASA 等

编译 七君



我们的世界是由物质构成的,也就是电子和夸克等粒子构成的。 不过呢, 这些粒子都有反粒子,也就是除了电荷相反以外,其他方面一样的“孪生”粒子,它们就是 反物质



反物质是首先被数学预言,然后才被找到的东西。


1928年,量子力学奠基人保罗·狄拉克在解方程的时候发现方程存在2个解,类似于 (x 2 -1) =0有+1和-1两个解一样。不过,狄拉克没有排除另一个解,而把它写到了论文 The Quantum Theory of the electron 里面。


1931年,他又发了一篇叫做 Quantised Singularities in the Electromagnetic Field 的论文,描述了反物质存在的可能性。


一年多后的1932年,有人(美国物理学家 Carl Anderson)居然真的拍到了一种反物质—— 正电子 的照片。因此,人们开始重视起狄拉克对反物质的预言,并开始寻找其他反物质。


1932年,Carl Anderson拍到的云室里的正电子轨迹,中间的是6毫米厚的铅板。

@wikipedia


虽然能够拍到反物质,但是制造和捕捉它们又是另一回事了。科学家在2010年才首次成功捕捉了反物质。


捕捉反物质的难度在于,它们在宇宙中很少见(不然宇宙可能早就不存在了),而且遇到物质会爆炸,俩俩碰碰乐相消,同时释放出能量,这个过程叫做 湮灭 0.25克的物质和0.25克的反物质相遇湮灭释放出的能量,等同于5千吨的TNT。



而且, 反物质是世界上最昂贵的东西


根据 NASA 在1999年公布的消息,一克反物质的制造成本是6.25* 10 13 美金。2015年的制造成本的数量级也在万亿美金的级别,小国恐怕举全国之财力都造不出来。



不过呢, 我们生活中会遇到反物质。



例如,香蕉会产生一种反物质——正电子。一根香蕉平均每天会释放出15个正电子,因为你的香蕉里含有微量的 钾40 (钾的一种同位素),而钾40会发生放射性衰变,并在这个过程中释放出正电子 (正β衰变) 。当然, 你吃下含有钾40的其他食物,也会产生正电子。


钾40有多种衰变途径,其中一种是β+衰变,释放出正电子并衰变为氩40。


除了香蕉里的反物质,科学家们也曾经观测到雷暴产生反物质的证据。 还有,医学上常用的正子断层照影(PET)就是利用正电子进行的。


正子断层照影(PET)设备

@uiowa


PET 技术常常被用来检测癌症和脑部成像。PET 利用能够产生正电子的放射性同位素,让它们和人体内的物质,比如葡萄糖结合。这些物质接着会释放出正电子并和人体内的物质接触湮灭,湮灭的过程产生伽马射线,就可以被检测到了。


正子断层照影(PET)产生的图像

@seeker


地球的磁场也类似于一个反物质阱,能困住反物质。 科学家们也也曾经在地球附近的范艾伦辐射带里找到了反质子。


地球的范艾伦辐射带的艺术描绘

@NASA/Scientific Visualization Studio


所以问题来了, 既然香蕉也会产生反物质,为什么反物质还这么贵呢?


因为,要大量制造和储存反物质很不容易。


美国费米国立加速器实验室 (Fermilab’s Tevatron particle accelerator) 总共产生了15 纳克(1纳克 = 1克的十亿分之一)的反质子 (带1个单位负电荷,类似于质子的反物质) ,欧洲核子研究中心(CERN )制造出了1 纳克的反质子,德国电子加速器 (DESY) 制造出了2 纳克的正电子。


CERN

@seeker


2015年时,储存1克反物质需要2.5* 10 16 千瓦时的能量。2018年,CERN 公布,BASE 实验成功无损地在6 开尔文(-267 摄氏度)的真空中储存了几粒反质子1年。 CERN 称, 这些反质子是宇宙中最冷也是最长寿的反物质。


所以,天价反物质是怎么制造的呢?在瑞士日内瓦,有制造反氢(氢的反物质)的工厂。一起来看看吧。


CERN 的反物质工厂

@CERN


科学家们首先用 质子同步加速器 ,让质子加速,然后使其和一些金属(如镭)相撞,产生的物质中有一些是反质子。然后,用磁场可以过滤这些粒子,因为反物质的电荷和普通物质相反嘛。


CERN的质子同步加速器

@CERN


不过呢,反质子没有颜色也没有气味,用肉眼无法分辨。好在,反质子有独特的电磁频率,能让科学家检测它们的存在。


接着,反质子要通过这个六角形的仪器 ELENA (extra low energy antiproton ring) 。ELENA是一个减速器,它可以把反质子减速50倍 (从5.3MeV减速到0.1MeV)








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