中微子和反物质 I

我们说完暗物质,下一个话题是反物质。反物质听起来只出现在科幻电影中,但它们是真实存在的。我们可以制造并使用反物质。什么是反物质?首先,讲座的一个主题是宇宙中不存在反物质似乎与之前讲座中谈到的中微子有很大关系。单看中微子的数量,我们相信它们一定扮演了非常重要的角色。我们已经看了这张宇宙照片很多遍,但如果看宇宙中已知粒子的数量,看起来如下图:组成我们的电子、质子和中子,甚至主要的暗物质也在下方。
宇宙已知粒子的数量

宇宙中数量最多的物质粒子(之一)实际上是中微子,几乎是它们的十亿倍。当然,宇宙有很多光,光是以光子的形式存在的。这些是小而轻的粒子,大多来自大爆炸本身,即宇宙微波背景。光子略多于中微子。如果你走到宇宙的任何空旷地带,每立方厘米(方糖大小)仍有400个光子,在同等体积下可找到大约300个中微子,所以宇宙实际上充满了中微子,有成吨的中微子。因此,即使它们的重量很轻,它们加在一起占宇宙能量预算的比例与所有恒星的总和一样多。鉴于中微子的数量如此之多,至少我们感觉它们一定在宇宙演化中发挥了非常重要的作用,这可能与我们今天观察到宇宙中不存在反物质有关。

那么什么是反物质?对于我们所知道的每一个粒子,比如电子、质子,都有一个反物质对应物。反物质粒子或反粒子具有与粒子相同的质量。他们(如果他们不稳定)也有同样的寿命。但它们有很多相反属性。它们具有相反的电荷:例如电子(存在于人体内,如今大量使用于电子产品中)带有负电荷,它的反物质对应物称为正电子,它带有正电荷,因此称为正电子。
反物质

对于质子(它也存在人体内,构成了原子核),有一种叫做反质子的反粒子,名字没啥创意。质子带正电荷,反质子带负电荷。中子也构成原子核,它不带电荷,因此称为中子。其反粒子称为反中子,也不带电荷,0的相反数还是0。所以反中子也不带电荷。因此,对于宇宙中存在的每一个粒子,都有一个带有相反电荷的反粒子对应物。
人造反物质

这是第一例人工创造的反物质,实验完成于1933 年,通过将一种叫做伽马射线的强光照射到摄影胶片中完成。通过光子与薄膜内其他物质的相互作用,产生了一对黄色的粒子,其中一个是电子,另一个是正电子。你可以分辨哪个是电子,哪个是正电子,因为在磁场中,带电粒子会发生偏转,其弯曲的方式取决于电荷的符号。所以你可以分辨出哪一个是电子,哪一个上是正电子。这个探索是由艾琳和弗雷德里克·约里奥-居里(第一次知道居里夫人的名字……)完成的。他们也是诺贝尔奖获得者,不是因为这个发现,而是他们在科学上做了许多其他重要的工作。
Lawrence Berkeley National Laboratory

第一例反质子是在伯克利的一座小山上生成的,这个地方叫做劳伦斯伯克利国家实验室。他们建造了一个更大的粒子加速器(当时最大的,现在看起来小了,但却是当时最大的)。这张图片显示了反质子的产生。你要做的是在环内加速质子,使质子撞击目标,这会产生大量粒子。其中有一个反质子,这个反质子进入这个胶片,由于它带电荷(你可以看到负电荷),反质子进入胶片经过一段时间后,它在胶片内遇到一个质子(因为胶片内有很多原子核),当反质子和质子相遇时,它们相互湮灭,回归到能量,而这个能量现在产生了各种各样的粒子。因为它们看起来像一个星星,所以被称为星星事件(star event)。如你所见,可以从能量中成对地创造物质和反物质。因为E=mc^2,物质和反物质可以成对地湮灭回归能量。反质子的发现为埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦赢得了诺贝尔物理学奖。

近年来我们可以相当常规地对物质和反物质进行实验。来自一边的电子和来自另一边的正电子碰撞,在中间湮灭变成了纯粹的能量,而这种纯粹的能量现在物化为其他形式的质量。在这种情况下是夸克。所以粒子和反粒子湮灭为能量,而能量可以产生一对粒子和反粒子。这是要记住的一个重点。
反物质不仅用于科学研究,还用于医院等。你可以通过扫描身体来定位癌症位置,这种正在使用的技术称为正电子发射断层扫描(PET)。可以看到名字里有正电子,这是电子的反物质。你所做的是将一种放射性同位素注入身体,它会发射正电子。你可以通过寻找伽马射线来定位正电子与附近电子产生的湮灭,即光能。这样你就可以扫描身体并确定癌症在体内的位置。你还可以使用放射疗法来定向杀死癌细胞。这就是正电子发射断层扫描通过使用反物质所做到的事。
这是另一张大脑的正电子发射断层扫描(PET)照片。可以立即看出,如果受到可卡因影响,那么大脑形态与正常大脑有很大不同,这也告诉你永远不要滥用可卡因等药物,对人体非常不好。
无论如何,这就是我们所知道的反物质。在科幻电影中,反物质以不同的方式出现。例如,这是星际迷航电影中企业号宇宙飞船的引擎示意图,该引擎由反物质驱动。因为如果真的能存储反物质,并将反物质转化为能量,这是很容易做到的,只需将反物质与物质撒在一起,它们就会湮灭并产生能量。
事实证明,这种能源的效率是普通汽油的 3 亿倍。因此,如果你在宇宙飞船上,希望尽可能有效地储存能量,反物质看起来确实是一个很好的备选项,这就是为什么《星际迷航》电影要用反物质的原因。这就提出了一个问题——哪种能源是最有效的?当谈论能量时,我们总是在微观物理学中使用称为电子伏特(eV)的单位,它是微小的能量,是电子通过被1伏特加速所获得的能量,也就是说,如果你有电池,通常大约1.5伏,电子获得的能量是这个数字(1.6×10^{-19}J)的1.5倍,非常小,是我们使用的能量单位。现在思考一个质子,它有一定质量,可以把这个质量转化为能量。再次使用E=mc^2,结果大约是1千兆电子伏特(gigaelectronvolt),10亿电子伏特,我们称这个单位为GeV。

能量单位

对于典型的化学反应,例如燃烧燃料,甚至炸药或汽油,所获得的典型能量约为一电子伏特,大约是质子质量的千分之一。
如果使用核裂变反应堆,通常会得到一百万电子伏特(MeV),大约是质子质量的千分之一。上面是十亿分之一,这是千分之一,可以看到核聚变的效率是燃烧燃料的大约一百万倍。核聚变的效率可能是核裂变的十倍,得到的能量是质子质量的百分之一。
但如果使用物质和反物质的湮灭,可以将质子质量完全转化为纯能量,即100%利用,这大约是1GeV的能量,比核聚变效率高一百倍,比化学燃料效率高十亿倍。这就是为什么反物质非常有用,但它也可能非常危险。
在丹布朗的小说《天使与恶魔》中(这也是汤姆汉克斯主演的好莱坞电影)出现了反物质。这个反物质显然是在运行 LHC 的欧洲实验室CERN产生的。根据小说,一位科学家在总干事不知情的情况下生产了四分之一克的反物质。而这么多的反物质落入坏人之手,有些人会因为反物质武器而受到威胁。当然,这听起来不妙。现在的问题是总干事显然不知道科学家们生产了这四分之一克的反物质。但如果你算一算,要产生这么多反物质,他们肯定为此花费了大约十亿、万亿美元。为此需要这么多电力,而总干事对此一无所知,这意味着实验室必须有大量预算。我真的很嫉妒。不管怎样,这只是一个故事,当然不可能花这么多钱来生产反物质。不用担心有至少四分之一克反物质会落入坏人之手。这是多大一件事?四分之一克的反物质,听起来不多,事实证明,四分之一克的反物质一旦与普通物质湮灭,就会产生与广岛原子弹一样多的能量。这不是开玩笑的事,可见一点点反物质与物质湮灭能产生巨大的能量。这就是反物质湮灭的效率(如果你能创造出这么多反物质)。但正如你所见,几乎不可能做到这一点。
现在来谈谈早期宇宙的情况。反物质确实很危险,并且一旦产生能量,也可以产生一对物质和反物质。所以早期宇宙一定有大量的物质和反物质,但是它们之间的量存在细微差距。因为一旦宇宙膨胀和冷却,物质和反物质就会一对一地湮灭成纯能量,所以它们几乎全都湮灭,剩下的就是我们了。我们显然赢了,但我们不知道为什么,这是个大问题。
你认为我们是如何通过物质和反物质之间的细微差距在大爆炸中幸存下来的呢?

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