反物質(zhì)形成的科學(xué)原理是什么

　　反物質(zhì)是很多的小說和動漫都出現(xiàn)過的名詞，但是杰很難多的人都不明白反物質(zhì)是怎么形成的。下面是百分網(wǎng)小編為你精心推薦的反物質(zhì)形成原理，希望對您有所幫助。

　　反物質(zhì)的形成原理

　　簡單的說，物質(zhì)是由分子和原子組成，原子是由帶負電的電子和帶正電的原子核組成，如果由帶正電的電子與帶負電的原子核組成原子，那么就是反原子，由反原子就可組成反物質(zhì)。

　　反物質(zhì)就是由反粒子組成的物質(zhì)。所有的粒子都有反粒子，這些反粒子的特點是其質(zhì)量、壽命、自旋、同位旋與相應(yīng)的粒子相同，但電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)、奇異數(shù)等量子數(shù)與之相反。

　　例如，氫原子由一個帶負電的電子和一個帶正電的質(zhì)子構(gòu)成，反氫原子則與它正好相反，由一個帶正電的電子和一個帶負電的反質(zhì)子構(gòu)成。物質(zhì)和反物質(zhì)相遇后會湮滅，釋放出大量能量。

　　反物質(zhì)的介紹

　　自然界紛呈多樣的宏觀物體還原到微觀本源，它們都是由質(zhì)子、中子和電子所組成的。這些粒子因而被稱為基本粒子，意指它們是構(gòu)造世上萬物的基本磚塊，事實上基本粒子世界并沒有這么簡單。在30年代初，就有人發(fā)現(xiàn)了帶正電的電子，這是人們認識反物質(zhì)的第一步。到了50年代，隨著反質(zhì)子和反中子的發(fā)現(xiàn)，人們開始明確地意識到，任何基本粒子都在自然界中有相應(yīng)的反粒子存在。

　　反物質(zhì)是正常物質(zhì)的反狀態(tài)。當正反物質(zhì)相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，發(fā)生爆炸并產(chǎn)生巨大能量。能量釋放率要遠高于氫彈爆炸。 在丹·布朗的小說《天使與魔鬼》里，恐怖分子企圖從歐洲核子中心盜取反物質(zhì)，進而炸毀整座梵蒂岡城。與此類似的是，YQZ的小說《末日大逃亡之地球毀滅》中，男女主角在費米國家實驗室科學(xué)家的幫助下，成功地用運載35克反物質(zhì)的洲際導(dǎo)彈炸毀了撞向南極洲飛船基地的中子星，而它曾經(jīng)受數(shù)千枚核彈狂轟濫炸卻毫發(fā)無傷。

　　反物質(zhì)概念是英國物理學(xué)家保羅·狄拉克最早提出的。他在20世紀30年代預(yù)言，每一種粒子都應(yīng)該有一個與之相對的反粒子，例如反電子，其質(zhì)量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反(A)。 且電子的自旋量子數(shù)是-1/2而不是正1/2。

　　歐洲航天局的伽馬射線天文觀測臺，證實了宇宙間反物質(zhì)的存在。他們對宇宙中央的一個區(qū)域進行了認真的觀測分析。發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域聚集著大量的反物質(zhì)。此外，伽馬射線天文觀測臺還證明，這些反物質(zhì)來源很多，它不是聚集在某個確定的點周圍，而是廣布于宇宙空間。

　　反物質(zhì)的特點

　　在多數(shù)理論家看來，宇宙中正反物質(zhì)的大尺度分離是不可能發(fā)生的。因此，三千萬光年的范圍內(nèi)沒有反物質(zhì)天體，已說明宇宙中大塊的反物質(zhì)是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質(zhì)應(yīng)當?shù)攘俊＿@樣，需要做的事是尋找物理機理，來說明宇宙如何才能從正反物質(zhì)等量的狀態(tài)過渡到正物質(zhì)為主的狀態(tài)。這里，理論家也遇到了非常尖銳的困難。

　　按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質(zhì)的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產(chǎn)生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產(chǎn)生達到統(tǒng)計平衡，宇宙介質(zhì)就是一切基本粒子構(gòu)成的混合氣體，且任一種穩(wěn)定或不穩(wěn)定的粒子都有接近相等的數(shù)密度。至于重子和反重子的數(shù)目是否嚴格相等，這不是由物理規(guī)律決定，而是由初條件決定的。

　　在理論家看來，在最初的宇宙中正反粒子應(yīng)當?shù)攘坎抛匀�。但是易于看出，若這想法是對的，重子的守恒性立即會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 ^13 K以下，由于粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產(chǎn)生重子已不可能。于是湮滅過程將使正反重子的數(shù)目同時迅速下降。最終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上，今天宇宙中光子的數(shù)目最多.重子的數(shù)目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數(shù)目很可能還要低許多量級。如果重子數(shù)B的守恒性是嚴格的物理規(guī)律，要宇宙從正反重子等量的狀態(tài)演化成今天這樣的狀態(tài)是不可能的。然后，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多于反重子，那么問題的出路在哪兒?

　　重子數(shù)B的守恒性肯定是嚴格成立的物理規(guī)律嗎?至今難以計數(shù)的粒子實驗確實沒有發(fā)現(xiàn)過一個破壞重子數(shù)守恒的事例，但是這并不說明它一定是嚴格的規(guī)律。回顧一下化學(xué)的發(fā)展可作借鑒。化學(xué)反應(yīng)

　　是元素的重新組合。經(jīng)驗表明，在重組合的前后，每一種元素的原子數(shù)是守恒的，無數(shù)的化學(xué)實踐表明沒有例外。想把汞變金的煉金術(shù)的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應(yīng)的知識后人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關(guān)鍵在于要有高的`能量讓原子核發(fā)生變化�；瘜W(xué)反應(yīng)是在粒子能量小于1eV的條件下進行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應(yīng)就不能發(fā)生。若過程中粒子的能量超過1MeV，原子核之間就能充分接近，那么原子核就能變化了，原子數(shù)的守恒性也就隨之破壞了。由此看來，原子數(shù)在化學(xué)過程中的守恒不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規(guī)律，而不是普遍成立的自然規(guī)律。借鑒同樣的道理，重子數(shù)的守恒性也可能僅是一定能量范圍的唯象規(guī)律，而不是普遍成立的。當粒子的能量更高，重子數(shù)的守恒性完全可能會不成立，這正是今天的理論家看到的出路。

　　從70年代中期起，粒子物理中由弱電統(tǒng)一理論的成功，掀起了研究相互作用大統(tǒng)一的潮流。按這樣的理論，高能下發(fā)生破壞重子數(shù)守恒的過程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學(xué)解決正反物質(zhì)不對稱疑難的需要不謀而合了。于是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學(xué)的交叉領(lǐng)域而得到了很多進展。人們已清楚，要從正反物質(zhì)等量的早期宇宙演化出今天正物質(zhì)為主的狀態(tài)，除了重子數(shù)守恒須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質(zhì)還必須有適量的差別。由于超高能下的粒子物理規(guī)律至今還沒有被掌握，因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物質(zhì)天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還并不完全肯定。

　　總之，為徹底揭開宇宙反物質(zhì)之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預(yù)料，這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的，它對物理學(xué)的影響也將是很深刻的。

　　反物質(zhì)發(fā)現(xiàn)歷程

　　歐洲核子研究中心的科學(xué)家們在歐洲當?shù)貢r間的2010年11月17日表示，通過大型強子對撞機，他們已經(jīng)俘獲了少量的“反物質(zhì)”。當然，這些“反物質(zhì)”只是少量的反氫原子而已，但這一發(fā)現(xiàn)也是引發(fā)了科學(xué)家極大的反響。

　　位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心一直以來也在為破解這一難題而不懈的努力。歐洲核子研究中心擁有世界上能量最高的粒子對撞機——大型強子對撞機，這一對撞機的使命就是探究宇宙的起源，尋找那些未經(jīng)證實的可能存在的物理現(xiàn)象。

　　在17日研究人員宣布，在經(jīng)過了不懈的努力之后，大型強子對撞機終于發(fā)現(xiàn)了幾十個氫原子的‘反物質(zhì)’。羅布湯普森教授表示：“盡管發(fā)現(xiàn)的只是反物質(zhì)的冰山一角，但這毫不影響這一發(fā)現(xiàn)的重要性，這是一次重大的突破，有利于我們更好的了解宇宙的性質(zhì)和起源”。

　　羅布湯普森教授說的沒錯，反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)將會引領(lǐng)人類的變革，使得人類的星際旅行之夢將成為現(xiàn)實。此前在大量的科幻小說中，用于星際旅行的飛船都是以反物質(zhì)作為燃料的。舉個最簡單的例子，如果想把人類送上火星，那需要千萬噸以上的化學(xué)原料，而如果是以反物質(zhì)為燃料的話，僅需要幾十毫克，同時時間也大為縮短，只需要6周的時間就可以到達。

　　這項新的研究將會發(fā)表在《自然》雜志上，同時還包括了歐洲核子研究中心專家在此過程中所起到的舉足輕重的作用，以及探討究竟這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)者扮演者天使還是魔鬼的角色。來自英國的斯旺西大學(xué)的查爾頓教授最后對于這一發(fā)現(xiàn)做了自己的論述：“現(xiàn)在的宇宙基本是由普通物質(zhì)所壟斷，但我們必須要了解宇宙的全貌，否則我們可能身處危險之中卻全然不知，氫是宇宙中最重要的元素，發(fā)現(xiàn)它的反物質(zhì)，具有非凡的意義。”

　　英國《自然》雜志網(wǎng)站17日刊登研究報告說，歐洲核子研究中心(CERN)的科學(xué)家成功制造出多個反氫原子，并利用磁場使其存在了“較長時間”。這是科學(xué)家首次成功“抓住”反物質(zhì)原子。

　　氫原子是只有一個質(zhì)子和一個電子的最簡單的原子。實際上，歐洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氫原子，但只能存在幾個微秒的時間，就與周圍環(huán)境中的正氫原子相碰并湮滅。此次的突破之處在于，制造出數(shù)個反氫原子后，借助特殊的磁場首次成功地使其存在了“較長時間”——約0.17秒。

　　這個時間聽起來似乎仍然很短，但對于科學(xué)家來說，這個時間長度已十分難得，可以對反氫原子進行較為深入的觀測和分析。因此，這一成果被看作是物理學(xué)領(lǐng)域的一大突破，將大大推動有關(guān)反物質(zhì)的研究。

　　現(xiàn)在，大型強子對撞機要對撞1千年才能夠?qū)ψ渤鲆晃⒖朔次镔|(zhì)。

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