【科技】關於反物質..

[superman771214 10]

在 Dan Brown(達文西密碼作者)的書看到的

覺得很神奇

有人對反物質有認識的嗎

如果真的像書中寫的 反物質如果真的被拿來做武器

不就比原子彈可怕了...

[訪客]

是的，理論上反物質拿來作武器威力遠大於核彈

因為核彈只有一點質量會轉成能量

反物質可是全部質量都轉成能量

[小申 10]

在 Dan Brown(達文西密碼作者)的書看到的

覺得很神奇

有人對反物質有認識的嗎

如果真的像書中寫的 反物質如果真的被拿來做武器

不就比原子彈可怕了...

你放心好了,如果你知道製造反物質的成本你就會安心了,"現階段"不會有事

[Oya 10]

之前Discovery有介紹過喔，本來以為是假的說...

[~HuLi~ 10]

什麼是反粒子 (anti-particle)?

所有帶電的基本粒子 (particle)都有其相對應的反粒子 (anti-particle)， 彼此的質量相同，自旋 (spin)相同， 電荷 (charge) 和宇稱 (parity) 相反。

一個簡單的例子是電子(electron)； 電子的質量大約是原子單位 (Atomic Unit, A.U.)的 1/1800，自旋 1/2， 帶一單位的負電；電子的反粒子的質量也是一樣，自旋也是 1/2， 但是帶一單位的正電，因此稱為正電子(positron)。

粒子和反粒子遵循機乎完全相同的物理定律。

不帶電的基本粒子（如光子）其反粒子就是它自己。

人類是怎麼發現反粒子的?

如果我告訴你反粒子的存在不是先在自然界發現的， 也不是先在實驗室產生的，而是理論物理學家「預測」的， 你相信不相信？

自從1920年代量子力學蓬勃發展以後， 人們對量子力學可以成功的解釋並計算原子能階等微觀現象極為興奮； 但是逐漸地人們開始思考另一個問題： 量子力學是由牛頓的古典力學出發， 經由所謂的「量子化」而得到的力學。 大家都知道古典力學在描述日常生活的力學現象是非常正確的， 但是在描述高速運動中的物體就不靈光了， 此時應該要用愛因斯坦的相對論 (special relativity)。 那麼，量子力學是否也只能描述低速的微觀現象呢？

日常生活之現象: 古典力學 →→ 量子化 →→ 微觀之現象: 量子力學

↓

線性時空

↓

高速之現象: 狹義相對論 →→ 量子化 →→ ？？

答案是肯定的。

所以理論物理學家們開始構想一個可以描述高速微觀現象的力學理論。 當然，人們總是從已知的程序著手。 於是狄拉克 (Paul Andrian Maurice Dirac) 於 1930 年將愛因斯坦最有名的相對論方程式 E = M c2 的另一個表示式 E2 = P2 + m02 「量子化」， 而得到不受外力的電子運動方程式。（此處 E = 能量， P = 動量， m0 = 靜止質量。）

就像你在國中時學的數學，你解 E 時會得到一正一負的兩個解， 狄拉克解量子化的方程式也得到兩組解。 第一個解很正常，可用來描述一般自由電子的行為；第二個解很奇怪：它的能量是負的！ 在沒有外力的環境下電子能量不會是負的，這完全違反當時的物理知識。

你可能會想：啊哈！這個負的解「不合」，然後按照習慣把它丟掉。

但是狄拉克不這麼想。

狄拉克認為這個解有其物理意義，只是他不清楚是什麼。 他用了一個「電子海」的想法，在這裡不多加說明，因為後來了解那是錯的。

然而沒有多久物理學家們就開始了解這第二個解所代表的意義： 它描述了一種新的粒子，質量和電子相同，由 自旋 (spin) 決定的磁性也和電子相同，但帶與電子相反的電荷。 這是帶正電荷但所有其他性質均和電子相同的正電子 (positron)！ 而正電子也很快地於 1932 年在宇宙射線中發現， 確立了狄拉克方程式的正確性， 也打開了一扇通往新物理的窗。

有哪幾種反粒子呢?

除了正電子以外，其他的反粒子也逐一被發現，包括反質子、反渺子、反夸克．．．等等。 現在我們確定每一種帶電的 基本粒子都有反粒子的存在。

什麼是反物質 (anti-matter)?

就像物質是由粒子相聚組合而成，反物質就是由反粒子組合而成的反原子、反分子．．．等等， 如反碳原子、反蛋白質。

目前科學家們還沒有在自然界找到反原子，因為就算反原子出現在地球上， 它也很快就會被周遭大量的原子湮滅掉。

在歐洲粒子物理實驗室 (CERN) 的物理學家們已經在1995年首度 人工合成了反原子，只不過反原子都很短命， 一下子就消失了。

有反物質的世界嗎?

從地球望出去，能看得到的只是宇宙的一小部分。 因為反物質的光譜和物質的一樣，所以不能用光譜的觀測來決定一個天體是物質還是反物質。 因此能分辨是不是反物質的部分，又更小了。

目前我們知道的是，本銀河所在的銀河集團 (Local Group of Galaxies) 沒有大量反物質存在的跡象。 至於更遠的宇宙有沒有反物質形成的星球、甚或銀河系， 則有待科學家們繼續努力了。

我可以和從反物質世界來的人握手嗎?

這當然得要先假設反物質世界存在了。

你大概從科幻小說中看過這麼一個說法：若是你在街上遇到一個來自反物質世界的人， 千萬不要和他握手表示禮貌，要不然，在兩隻手接觸的一剎那， 你和他會同時消失，幻化為一陣耀眼的光芒。

真的會這樣嗎？

這要從反物質和物質之間的交互作用談起。

以電子和正電子的交互作用為例， 在基本粒子的層次，物質和反物質的交互作用基本上有兩類：

散射 (scattering)：電子和正電子互相「拉」了一下， 交換部分能量，然後互相遠離。

湮滅 (annihilation)：電子和正電子「撞個正著」，電子和正電子都消失， 變成一對光子或一對其他種類的基本粒子散去。

變一對光子就是有名的『質能互換』，所有電子和正電子的質量都消失了， 換成一對沒有質量只有能量的光子。

然而要變成一對其他種類的基本粒子必須要相當高的能量， 因為其他的粒子都比電子重很多。

回到原來的問題。因為你能和他握手，表示你和他基本上都幾乎是靜止的；在低能量的時候， 電子和正電子的各種交互作用中以　湮滅作用　最強，所以．．．小心了！ 不要讓你的手消失掉！

不過我要附帶一提的是，電子和正電子湮滅產生的光子能量為 511 KeV (51萬1千電子伏特)，是 Gamma 射線。因此你不會看到「耀眼的光芒」， 但是你的身體可接受了不少致命的輻射劑量！

p.s. 奇怪的是，那個從反物質世界來的人在地球上怎麼沒有被周圍的物質湮滅呢？

[~HuLi~ 10]

「反物質」是指與「物質」相對應之物，物質是由質子與中子結合成原子核，再與電子束縛形成原子，再形成分子、星球及星系。學者推論，反質子與質中子結合後，應可與正子束縛形成反物質。

　　由於學界對「反物質」(ａｎｔｉ－ｍａｔｔｅｒ)的存在有三種學理：

第一種是指宇宙在形成之初，曾發生「大霹靂」，產生大量的物質及較少量的反物質。

第二種理論則認為，宇宙誕生之際，曾產生了相同數量的物質及反物質，但由於物理學上的電荷宇稱聯合(ＣＰ)不守恆原則，使得反物質的再生率偏低，最終宇宙中則是物質多於反物質。

第三種學說認為，反物質所形成的星體，是在宇宙中離地球極遠的地方，因此，人類至今尚未觀察到反物質。

[~HuLi~ 10]

最早被發現的反物質, 是與電子帶有相反電性的正電子(positron). 而且有趣是這種粒子是先由理論預測他的存在, 然後才在實驗中被發現的.

　1928年, 狄拉克在他的電子理論的計算中, 預言有一種帶有正電而且其他性質與電子相同的粒子-正電子, 成為當時粒子物理實驗的熱門話題.

1931年~1933年, 安德森在宇宙射線(cosmic ray)的研究中發現一個不尋常的現象, 那就是在雲霧室(cloud chamber)的照片中出現一種帶有正電的粒子. 而且其質量遠小於質子的質量.

安德森的宇宙射線實驗,

圖中的曲線就是正電子

通過氣體所留下的軌跡,

中央的黑色平板為6mm

的鉛板.

我們知道, 帶電粒子在磁場中軌跡會彎曲, 而由軌跡彎曲的程度, 可以推得粒子的質量大小. 安德森由實驗照片圖中軌跡的曲率估算, 這種粒子所帶的質量遠小於當時已知的帶正電粒子-質子, 而質量大約與電子相同(當時的實驗給了一個質量上限 m< 2me-(電子質量))

安德森的實驗剛好驗證了狄拉克的理論, 也是人類第一次看到反物質的存在.

根據後來物理學家對宇宙射線以及粒子物理的瞭解, 安德森實驗中所發現的正電子, 是由高能的光子(photon)碰撞到空氣中的電子或質子而產生的:

γ + e- →e- + e+ + e- 或

γ + p →p + e+ + e- 或

γ + 原子核 →原子核 + e+ + e-

其中γ為光子, p為質子, e+為正電子, e-為電子.