1、1目录一、反物质概述.21.1 反物质基本概念.21.2 粒子物理中的反物质.2二、反物质的寻找.3三、正反物质的不对称疑难.3四、反物质保存的疑问.4五、对反物质天体的疑问.4六、反物质将会给人类带来什么.56.1 首次捕捉. 56.2 反 物 质 的 影 响 .56.2.1 文 章 中 的 描 述 .56.2.2 理 论 中 的 假 想 .6七、结束语72一、反物质1.1 反物质的基本概念反物质是一种物质形式，但无法在自然界找到，除非是在稍纵即逝的少量存在（例如因放射衰变或宇宙射线等现象）在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。物
2、质与反物质的结合，会如同粒子与反粒子结合一般，导致两者湮灭，且因而释放出高能光子或伽玛射线。1.2 粒子物理中的反物质我们知道，把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源，它们都是由质子、中子和电子所组成的。这些粒子因而被称为基本粒子，意指它们是构造世上万物的基本砖块，事实上基本粒子世界并没有这么简单。在 30 年代初，就有人发现了带正电的电子，这是人们认识反物质的第一步。到了 50 年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。 电子和反电子的质量相同，但有相反的电荷。质子与反质子也是这样。那么中子与反中子的性质有什么差别？其实粒子实验已证实
3、，粒子与反粒子不仅电荷相反，其他一切可以相反的性质也都相反。这里我们讨论一下重子数的概念。质子与中子被统称为核子。人们从核现象的研究发现，质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但在转化前后，系统的总核子数是不变的。50 年代起的粒子实验表明，还有很多种比核子重的粒子，它们与核子也属同一类，这类粒子于是被改称为重子，核子仅是其最轻的代表，一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化，系统中的重子个数是不会改变的。 由于重子数的守恒性，两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，那么反核子应当怎么产生？实验表明，反核子总是在碰撞中与核子成对地产生3的。对于比核子更重的重子，情况完全一样。反重子也
4、总是与重子成对地产生，成对地湮灭的。这些经验使人们认识到，重子数的守恒规律需要重新认识。此外，人们还类似地发现了轻子数的守恒性。中微子虽不带电，也不具有重子数，但它与反中微子具有相反的轻子数。按轻子数的守恒性，中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的，实验还表明，介子数和规范粒子数是不具有守恒性的。这样我们看到，电荷只是粒子的一种属性，另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性。正反粒子的这些属性也都是相反的。这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界。然而问题并不那么简单。首先，在地球上很难发现反物质。因为粒子与反粒子碰到一起，就像冰块遇上火球一样，或者一起消失，或者转变为其他粒子。所以在
5、地球上，反物质一旦碰上其它物质就会被兼并掉。其次，制造反物质相当困难而且耗费巨大，需要如 SSC 或 LHC 之类的高科技仪器，并且即使制造出反物质，也难以保存，因为地球上万物都有物质构成。我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此，这样的物质被称为正物质，由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反粒子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而却几乎没有反物质呢？这正是我们现在要讨论的问题。 从根本上说，反物质就是物质的一种倒转的表现形式。爱因斯坦曾经根据相对论预言过反物质的存在：“对于一个质量为 m，所带电荷为 e 的物质，一定存在一个
6、质量为 m，所带电荷为-e 的物质（即反物质）”。二、反物质的寻找1932 年，美国科学家发现了发现了一种特殊的粒子，它的质量和带电量同电子一样，只是它带的是正电，而电子带的是负电。因此，人们称它为正电子。正电子就是电子的反粒子。1955 年，在美国的实验室中反质子被找到了。后来，又发现了反中子。60 年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地“挖掘”了出来。三 、 正 反 物 质 不 对 称 疑 难在多数理论家看来，宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。因此，三千万光年的范围内没有反物质天体，已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信，
7、极早期宇宙中正反物质应当等量。这样，需要做的事是寻找物理机理，来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的4状态。这里，理论家也遇到了非常尖锐的困难。 在科学家看来，在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出，若这想法是对的，重子的守恒性立即会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至 10 13 K 以下，由于粒子的热动能已不够，热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终，宇宙中将既没有重子，也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景。事实上，今天宇宙中光子的数目最多重子的数目是它的十万万分之一左右，反重子的数目很可能还要低许多量级
8、。如果重子数 B 的守恒性是严格的物理规律，要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后，科学家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子，那么问题的出路在哪儿？ 重子数 B 的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗？至今难以计数的粒子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例，但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴。化学反应是元素的重新组合。经验表明，在重组合的前后，每一种元素的原子数是守恒的，无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败，更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识后人们已清楚知道，汞变成金完全可能，关键在于要有高的能量让原子核发生变化
9、。化学反应是在粒子能量小于 1eV 的条件下进行的，这条件下原子核不能相互接触，核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过 1MeV，原子核之间就能充分接近，那么原子核就能变化了，原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来，原子数在化学过程中的守恒不是偶然的，但是它仅是低能下的唯象规律，而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理，重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律，而不是普遍成立的。当粒子的能量更高，重子数的守恒性完全可能会不成立，这正是今天的理论家看到的出路。 总之，为彻底揭开宇宙反物质之谜，前面还有漫长路要走。我们已能预料，这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的，它对物理学的影响也将是很深
10、刻的。四、反物质保存的疑问2008 年 9 月，美国格林空军基地“革命性弹药”研发小组的负责人肯尼斯爱德华兹，突然现身美国五角大楼，向美军高官汇报他的最新研究成果。肯尼斯爱德华兹说： “我们在反物质武器的研究上已获得重大突破我们成功研发了一种能长期有效储存反物质的容器，这意味着反物质的军事用途即将成为现实！”真的能找到一种容器来储存反物质吗?如果真的找到了，那反物质也许就真能为人类所利用了！五、对反物质天体的疑问粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样，因此反质5子和反中子也能结合成带负电的反原子核，反核和反电子结合在一起，就能组成反原子。我们的正物质世界有多少种原子，相应在反物
11、质世界中也能有多少种反原子，而且它们在结构上将是完全没有区别的，延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系就应当存在。因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？月亮是离我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。如果月球是由反物质组成的，那么在那位宇航员与月球接触时，湮灭过程早已把他转化为介子了。这是直接证据，表明月亮是正物质天体。至于太阳，那是人类没有可能登陆的地方。那么怎么才能知道它不是由反物质组成的呢？太阳表面的气体很热，其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度，这就是太阳风的起因，若太
12、阳是反物质恒星，太阳风就由反原子组成，它吹到行星上，就会和行星的正原子相湮灭。于是正物质组成的行星会逐渐消失掉，这种消失过程没有发生，就证明了整个太阳系中没有反物质天体。我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系，原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体。因此，若既有正物质星系又有反物质星系，那么正反物质必会相遇，相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 射线，而没有找到过。于是得出结论：在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。上网查询和翻阅资料后，我认为上述结
13、论是今天的观测能力所能给出的最好回答。六、反物质将会给人类带来什么6.1 首次捕捉2010 年 11 月 17 日 ， 有 媒 体 说 ， 欧 洲 核 子 研 究 中 心 （ CERN） 的 科 学 家成 功 制 造 出 多 个 反 氢 原 子 ， 并 利 用 磁 场 使 其 存 在 了 “较 长 时 间 ”。 这 是 科学 家 首 次 成 功 “抓 住 ”反 物 质 原 子 。 人 类 首 次 捕 获 到 反 物 质 500 克 能 量 可 超 过 氢 弹 。 欧 洲 科 学 家 成 功 制造 出 多 个 反 氢 原 子 ， 并 使 其 存 在 了 0.17 秒 ， 这 是 物 理 学 界
14、的 突 破 性 发 现 ，也 是 人 类 首 次 捕 获 到 反 物 质 。6.2 反 物 质 的 影 响66.2.1 文 章 中 的 描 述天使与魔鬼中曾描述：反 物 质 是 人 类 目 前 所 知 的 威 力 最 大 的 能 量 源 。它 能 百 分 之 百 的 效 率 释 放 能 量 （ 核 裂 变 的 几 率 是 百 分 之 一 点 五 ） 。 反 物 质 不造 成 污 染 ， 也 不 产 生 辐 射 ， 一 小 滴 反 物 质 就 可 以 维 持 整 个 纽 约 城 全 天 的 动 能 。先 别 过 于 乐 观 ， 其 中 可 隐 藏 着 危 机 反 物 质 极 不 稳 定 ， 它
15、可 以 把 接 触 到 的 任 何 东 西 化 为 灰 烬 连 空 气 也概 莫 能 外 。 仅 仅 一 克 反 物 质 就 相 当 于 20 万 吨 当 量 的 核 炸 弹 的 能 量 比 当年 扔 在 广 岛 的 那 颗 原 子 弹 要 强 2000 多 倍 。 当 物 质 与 反 物 质 接 触 ， 原 子 最 外 层 的 电 子 因 为 所 带 电 荷 相 反 而 抵 消 ， 原子 核 中 的 质 子 也 因 同 样 的 原 因 相 互 抵 消 ， 而 反 中 子 因 磁 性 与 中 子 相 反 而 与 中子 进 行 强 烈 的 碰 撞 发 出 惊 人 的 能 量 。 爱 因 斯 坦
16、曾 计 算 过 这 种 完 整 的 能 量 释 放比 率 ， 跟 这 种 完 全 的 能 量 释 放 相 比 ， 核 裂 变 就 像 划 燃 一 根 安 全 火 柴 一 样 微 不足 道 。6.2.2 理 论 中 的 假 想反物质是人类目前所知道的威力最大的能量源。它能以百分之百的效率释放能量。二核裂变的效率是百分之一点五。反物质不造成污染，也不产生辐射，一小滴反物质就可以供应整个纽约城全天的动能。反物质极不稳定，它可以把接触到的任何东西都化为灰烬，连空气也概莫能外。仅仅一克的反物质就相当于二十千吨当量的核炸弹的能量也就是相当于当年投在广岛的那颗原子弹的能量。一个严峻的问题摆在人们面前：这种极
17、易爆炸的反物质是能为人类造福，还是会被用于制造有史以来毁灭性最强的武器？反 物 质 的 应 用反 物 质 潜 在 且 十 分 诱 人 的 用 途 是 用 来 制 造 星 际 航 行 火 箭 的 超 级 燃 料 。 将氢 和 反 氢 混 合 湮 灭 来 获 得 能 量 ， 这 种 燃 料 的 0.01 克 所 产 生 的 推 力 相 当 于120 吨 由 液 态 氢 和 液 态 氧 组 成 的 传 统 燃 料 （ B） 。 此 外 ， 利 用 反 物 质 能 进 行 星际 旅 行 ， 还 可 以 减 少 携 带 燃 料 的 质 量 ， 进 一 步 提 高 飞 行 器 的 飞 行 速 度 。反物质
18、的应用，可以从根本上改变能源供应的模式，将会是一场能源革命。但是由于目前是由加速器产生的高能粒子打击固定靶产生反粒子，再经减速合成的，此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量，且生成反物质的速率极低，生产一千亿分之一克的反物质，需要耗资近 60 亿美元，因此尚不具有经济和应用价值。7反 物 质 武 器反 物 质 武 器 是 一 种 以 反 物 质 作 为 能 量 ， 推 进 剂 或 爆 炸 物 ， 拥 有 超 强 大 力量 的 梦 想 武 器 。 目 前 其 还 仅 存 在 于 科 幻 小 说 中 。 但 美 国 空 军 已 经 对 其 可 能 的军 事 用 途 ， 包 括 毁 灭 性 效
19、 果 产 生 了 兴 趣 。反 物 质 武 器 的 特 点1、 虽 然 威 力 巨 大 ， 但 是 其 附 带 杀 伤 效 应 较 小 。 新 一 代 核 武 器 强 化 了 核反 应 中 的 部 分 杀 伤 效 应 ， 同 时 抑 制 了 其 他 杀 伤 破 坏 因 素 的 产 生 ； 2、 杀 伤 手 段 和 杀 伤 破 坏 目 标 更 为 单 一 。 新 型 核 武 器 可 以 只 利 用 爆 炸 产生 的 冲 击 波 或 是 电 磁 脉 冲 或 是 其 他 的 杀 伤 破 坏 因 素 ， 来 攻 击 特 定 的 目 标 或设 备 ， 令 使 用 者 在 使 用 核 武 器 攻 击 时
20、有 更 大 的 选 择 余 地 ， 也 更 加 灵 活 。 3、 研 究 手 段 中 高 科 技 含 量 非 常 高 。但 是 ， 因 为 反 物 质 本 身 之 谜 还 没 有 揭 开 ， 所 以 研 制 反 物 质 武 器 仍 然 是 任重 而 道 远 。 要 想 把 反 物 质 武 器 从 设 想 变 为 现 实 ， 还 需 要 科 学 家 们 的 不 懈 努 力 。七 、 结 束 语世 间 万 物 的 存 在 皆 有 两 面 性 ， 反 物 质 也 不 例 外 。 反 物 质 具 有 如 此 大 的 发展 潜 能 ， 其 一 旦 应 用 到 生 活 中 来 必 然 会 给 人 类 带
21、来 便 利 抑 或 危 害 。 就 像 转 基因 这 一 科 学 发 现 应 用 到 生 活 中 给 人 类 带 来 的 种 种 便 利 和 不 变 一 样 ， 其 关 键 就要 看 人 类 道 德 尺 度 和 法 律 的 辖 制 了 ！从 1928 年 ， 英 国 青 年 物 理 学 家 狄 拉 克 从 理 论 上 首 次 论 证 了 正 电 子 的 存在 ， 到 2010 年 11 月 17 日 科 学 史 上 首 次 成 功 抓 住 微 量 反 物 质 。 在 这 不 到100 年 的 时 间 里 ， 人 类 对 反 物 质 的 探 索 不 断 深 入 ， 不 断 取 得 各 种 成 就
22、 ， 不 过我 们 对 反 物 质 的 研 究 还 刚 刚 起 步 需 要 我 们 解 决 的 问 题 还 有 很 多 ， 相 信 随 着 科学 的 不 断 进 步 ， 研 究 的 不 断 深 入 ， 人 类 必 将 揭 开 反 物 质 之 谜 ， 从 而 使 反 物 质更 好 的 为 人 类 服 务 ！参 考 文 献1、 朱 蒂 ， 走 进 反 物 质 ， 发 明 与 创 新 （ 中 学 时 代 ） ， 2010， （ 6）2、 黄 艳 华 ， 江 向 东 ， 反 物 质 世 界 的 丰 碑 ， 科 学 ， 上 海 ， 2004， 56（ 3）3、罗森堡著，刘华杰译科学哲学 ，上海科技教育出版社，200684、丹.布朗， 天使与魔鬼 ，人民文学出版社，2005
