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1、神奇的反物质 生态03级 张文杰 031403008 人类对物质世界地认识 人类很早就开始考虑什么是物质了。 在东方的中国哲人老子道德经里所 说： “道生一，一生二，二生三，三生万物。”这是 朴素唯物对我们这个物质世界的认识。 另一方面，在西方的古希腊人也就认为 水、 火、空气和泥土是构成物质的基本元素。 而时至今日，人类已经 发现，物质由分子和 原子组成，原子是由带负电的电子和带正电的 原子核组成。再往下划分，物质又可以分成强 子由夸克组成， 包括上夸克、下夸克、奇 异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克；轻子 包括电子、电子中微子、子、子中微子、 子、子中微 子；还有传播子传递强作用 的各种胶子。
2、物质组成的研究，帮 助人们重新 认识了物质的世界，也帮助人们认清了物质之 间的各种 相互作用。 那么我们认识的世界果真就是这样吗？科 学家们并没有停止在对我们一致的物质世界的 认知这个层次上 。他们开始了新的思考。 人类对反物质的思索 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
3、的吗？ 什么是反物质 目前我们认识的物质是由分子和原子组成， 而原子又是由带负电的电子和带正电的原子核 组成。如果由带正电的电子与带负电的原子核 组成原子，那又是什么呢？这就是反原子，而 由反原子组成的就是反物质。 那么我们会问，物质和反物质在物理性质上 有什么不同？他们如果相遇会爆产生什么现象 ？为了回答这个问题，还是让我们先来看看什 么是反物质。 宇宙之奇反物质 反物质的组成 正电子带有一个正电荷而不是带有一个负 电荷的电子。由Carl Anderson 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
4、 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。 物理学家安德森 1932年美国物理学家安德森（Carl David Anderson）在宇宙线实验中观察到高能光子穿 过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一 个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒 子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这 个预言得到了实验的证实对于电子来说，正 负电荷具有对称性 所有的粒子都有相应的反粒
5、子。反粒子组成 的世界就是反物质世界。大爆炸后应该产生同 等量的粒子和反粒子，物质和反物质，可是我 们观察到的物质要大大多于反物质。 “湮灭”现象 现在我们来看看刚才提出的那个问题。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。 对“湮灭”现象的思考 如果是这样的话，那么我们能不能建一 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
6、 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。如果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。那么究竟我们周围又 没有反物质呢？ 反物质存在的可能性 年月日格林尼治时间零时，俄罗斯西伯利亚东 起勒 拿河、西至叶尼塞河直线距离约公里的广大地区上空， 一个 巨大的天体拖着长长的烟火尾巴，伴随着雷鸣般的轰鸣飞过东 起勒拿 河、西至叶尼塞河，直线距离约公里的天空。随后， 人们感 到三次强烈的爆炸，伊尔库茨克地震站测定其爆炸当量相当 于 至万吨炸药。爆炸后的几天里，东至勒 拿河、西至 爱尔兰、南至塔什干、波尔多（法国）一线的北半球广 大
7、地区连续出 现了白夜现象。爆炸之后，科学家们在叶尼塞河中、 下游和勒拿河支 流维季姆附近，先后发现了个与月球火山口相似、 直径为至 米的爆炸坑和一片面积约平方公里的 被冲击波击倒的原 始森林。在随后的探险考察中，科学家们还发现 爆炸地区土壤被磁化 ，至年的树木年轮中出现放 射性异常，某些动物出 现遗传变异。由于现场没有发现任何陨石碎 片等，基本排除流星或陨 石坠落等。一个可能的解释，就是反物质 造成了这一著名的通古斯大 爆炸。 寻找太空中的反物质 既然物质与反物质相遇会发生湮灭现象，那么 在地球大气层以内是不可能发现天然的反物质 了。那么太空中呢？这仍然存在着可能性，于 是人们把目光投向了太空
8、。 于是人们启动了AMS实验（Alpha Magnetic Spectrometer）AMS是个多国合作的科学实验， 共有37个研究机构，由MIT教授 诺贝尔奖得主 丁肇中博士领导，美国能源部负责建造，美国 太空总署(NASA) 负责发射的任务，多国参与 设计与出资，而台湾方面负责设计与制作符合 太 空规格的电子电路板。AMS实验将是第一 次将这样的探测器放入太空轨道 且是由许多粒 子物理学家与天文物理学家合作。 实验证据 他们利用先进的伽马射线探测卫星发现在银河 系上方约光年处有一个不断喷射反物 质的反物质源。它喷射出的反物质在宇宙中形 成了一个高达光年的“喷泉”。这是宇 宙反物质研究领域的
9、一个重大突破。 正反物质相遇可释放出巨大的能量和比普 通可见光强万倍的伽马射线。银河系反物 质“喷泉”正是通过这一相接证据发现的，因而 它对深入反物质的性质帮助不大。为了“面对 面”地研究反物质，科学家想到了直接“捕捉”反 物质。 如何得到反物质 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
10、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。 年，美国科学家安德森发现了一种特 殊的粒子。与之 前发现的电子相比，其质量和 带电量完全相同，但它带的是正电， 而电子带 的是负电。因此，这被称为正电子。正电子也 就是电子的 反粒子。正电子的发现，毫无疑问 的引发了科学家们新的探索之旅， 而就此，一 个反物质的世界如同沉睡千年的底下宫殿逐渐 呈现在人 们眼前：年，反质子在美国 的一家实验室中被发现，其后 人们又发现了反 中子。到上个世纪年代，基本粒子中的反 粒子 差不多全被人们找到了。 基本反粒子的发现 人类对反物质世界的探索 由于基本反粒子的成功发现，使得反物质的存在性大
11、 大增加，于是人们开始思索：如何得到反物质。迄今 为止，人们已经多次证实了反物质的存在。首先人们 开始合成基本反原子。直到年， 欧洲核子研 究中心（）的科学家在世界上制成了第一批 反 物质反氢原子。科学家利用加速器，将速度极 高的负质子流射 向氙原子核，以制造反氢原子。由于 负质子与氙原子核相撞后会产 生正电子，刚诞生的一 个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个 负质子结 合就会形成一个反氢原子。在累计小时的实验中 ，共记 录到个反氢原子存在的证据。由于这些反氢 原子处在正物质的包 围之中。因此它们的寿命极短， 平均寿命仅为纳秒（一亿分之 三秒）。 年，美国费米国立加速器实验室成功制造了个 反
12、氢 原子。 反物质的进一步研究 目前人类已经能在实验室中成功制造正 电子、负质子等反基本粒子已是轻而 易 举，而将正电子与负质子组成反原子尚 十分困难，因为将这两种 粒子结合在一 起并且能证实它们结合成反原子的工作 十分复杂，因 此科学家需要研制功能更 强大的研究工具。而且，人们还有一个 普 遍的疑问，那就是反物质如何能存储 在物质的世界里？科学不是万能的，但 真正的科学总是可以带来无限可能。 反物质研究最新进展 据新科学家杂志报道，欧洲核子中心的 科学家杰拉尔德 加夫列尔瑟领导的一个科研 小组，使用高能磁场捕捉在该中心粒子 加速器 中实验得到的反质子，然后引入正电子流，并 使用电场对其 减速
13、，再使得两种粒子汇合在被 称为“粒子陷阱”的结构中。由于 物质或者带有 正电荷或者带有负电荷，因此它们可以被保存 在具有 适当电磁场结构的“陷阱”中。之后科学 家再将该粒子陷阱放置入 电场条件下，结果发 现部分粒子出现无法移动的现象。科学家认为 ，这表示两种反粒子结合形成了中性的反氢原 子。 加夫列尔瑟认为，“这种条件下很难认 为没有反氢原子的存在”， 只是他们还不 能确定具体存储了多少反氢原子。但他 同时表示，希 望能够在该中心的粒子加 速器恢复运转后，可以重复确认上述发 现， 以期最终确证这一研究成果。如果 上述实验结果最终得到证实，将 为人类 在物质认知领域带来重大突破。 欧洲核子研究中
14、心在英国自然 上宣布已成功制造出约万个反氢 原子，是人类首次在受控条件下大 批量制造反物质。 反物质应用前景 反物质飞船 利 用 反 物 质 推 动 下 一 代 太 空 船 只 需 要 六 星 期 便 可 以 到 达 火 星 。 这 不 是 幻 想 ， 而 是 科 学 家 对 发 展 下 一 代 太 空 船 的 预 测 。 他 们 相 信 ， 假 使 利 用 反 物 质 推 动 太 空 船 ， 将 会 使 幻 想 成 真 。 科 学 家 所 构 思 的 反 物 质 推 动 太 空 船 。 探索宇宙 反物质武器 美国军方现在对研制以反物质作为弹药的“质子炸弹” 表示出了浓厚的兴趣，并已在这方面投入了大量资金 。美国空军实验室介绍称，这种反物质炸弹可能会成 为一种令人难以置信的强大武器。物质和反物质相遇 会爆炸形成光辐射(称为“湮灭”)，并释放出一阵射线 暴。据科学家们估算，每百万分之一克的反质子与质 子发生湮灭(爆炸)后释放的能量相当于37.8公斤的TNT 炸药。 与传统核武器不同的是，反物质炸弹爆炸后不会 形成任何辐射性残留物。不过，以人类目前的科技发 展水平，反物质绝对称得上是最为昂贵的“产品” 仅生产一亿分之一克的反物质就需要耗费约60亿美元 。 谢谢观赏 祝大家快乐