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1克價值62.5萬億美元,這種物質為何如此昂貴?

2022-08-05國際

1908年6月30日早晨,俄國伊凡基自治區通古斯河附近,當地人觀察到一個巨大的火球劃破天空,其亮度能和太陽媲美。幾分鐘後,一道強光照亮了整個天空,緊接著一聲巨響將周圍650公裏範圍內的窗戶玻璃震碎,很多人看到了騰空而起的蘑菇雲。據推算,這次神秘的大霹靂產生的破壞力相當於2000萬噸TNT炸藥,超過2150平方公裏內的8000萬棵樹焚毀倒下。

對於通古斯大霹靂發生的原因,一直以來眾說紛紜,包括彗星撞擊說、黑洞說、飛碟說、尼古拉·特斯拉遠距離輸電實驗說、小行星墜落說等各種假說。還有一種說法是反物質說。有科學家認為,通古斯大霹靂是由一個從太空中墜落到地球上的反物質撞擊造成的。

那麽,反物質到底是什麽,它為什麽能產生如此大的破壞力呢?

1928年,繼牛頓之後英國最偉大的理論物理學家、量子力學的奠基人保羅·狄拉克作出預言:宇宙中每一種粒子都應該有一個與之相對的反粒子,其品質與粒子完全相同,其性質與粒子完全相反。

值得一提的是,愛因史坦也曾從相對論的角度預言了反物質的存在:對於一個品質為m,所帶電荷為e的物質,一定存在一個品質為m,所帶電荷為-e的物質(即反物質)。

顧名思義,反物質就是與正常的物質相反的物質。正常的物質都是由原子組成的,原子在化學反應中不可再分,但是在物理學中可以再分。在物理學中,原子由電子、質子和中子組成。而反物質是由反原子組成的,反原子則由反電子、反質子和反中子組成。

正常的電子帶負電荷,而反電子帶正電荷。正常的質子帶正電荷,而反質子帶負電荷。電子與反電子、質子與反質子、中子與反中子品質相等,性質相反。

當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大的能量。科學家推算,1克反物質(按1克反物質與1克正物質湮滅計算)湮滅就能夠釋放出1.8*10^14焦耳的能量。500克反物質湮滅產生的破壞力就可以超過世界上最大的氫彈。

美國暢銷書作家丹·布朗在其小說【天使與魔鬼】中,把反物質描述成人類目前所知威力最大的能量源。它能以100%的效率釋放能量,同時不造成任何汙染,不產生任何放射線,一小「滴」便可維持紐約全天24小時所需的能量。

1932年,美國物理學家卡爾·安德森在實驗中首次證實了正電子的存在,隨後又發現了負質子和自旋方向相反的反中子。

1995年,歐洲科學家在實驗室制造出了世界上第一批反物質——反氫原子。

2000年,歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機制造出約5萬個低能狀態的反氫原子,這是人類首次在實驗室條件下制造出大批次的反物質。

這一系列研究成果使人們日漸接近反物質的世界。然而事情沒有那麽簡單。

按照大霹靂理論,早期宇宙中的溫度非常高,粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子,而且任何一種穩定或不穩定的粒子都有接近相等的數密度。所以,在最初的宇宙中,正反粒子應當等量才對。

然而,科學家卻發現,在距離3000萬光年的範圍內沒有反物質天體存在,這就說明宇宙中可能根本不存在大塊的反物質。

在地球上,科學家同樣找不到反物質的任何蹤跡。因為粒子與反粒子碰到一起,就像冰塊遇上火球一樣,要麽一起消失,要麽轉變為其他粒子。所以在地球上,反物質一旦碰上正常物質就會瞬間被中和掉。

科學家要想得到反物質,就必須利用粒子對撞機人工制造出來;要想得到「大批次」的反物質,就必須利用大型粒子對撞機批次制造出來。需要指出的是,制造粒子對撞機的成本非常高昂、利用粒子對撞機成功制造出反物質的機率非常低、反物質的保存極其困難。

人類第一次制造出的反物質僅保存了幾微妙,2002年制造出的38個反氫原子只保存了大約0.17秒,卻已經是重大突破。由於反物質接觸到任何容器壁後即消失,所以目前科學家只能利用一種特殊的磁場來捕獲反物質。為了最大限度地降低反物質的運動速度,科學家設法讓反氫原子的溫度降至0.5開氏度,相當於零下272.65攝氏度,即接近絕對零度。

現階段,科學家探尋、制造反物質的主要目的是研究其基本性質。那麽,對於整個人類而言,反物質到底有什麽實際用處呢?

由於反物質與正物質相遇時會發生爆炸並釋放出巨大的能量,所以反物質被認為是比原子能、氫能還要高幾個數量級的宇宙終極能源。舉個很簡單的例子,實作星際旅行一直是全人類的夢想,然而目前卻受制於航空燃料的低效而無法實作。如果使用傳統的化學燃料作為星際飛船的動力來源,那麽一次旅行可能就需要消耗上千萬噸的燃料。而如果使用反物質,可能只需要幾十毫克。

在【星際迷航】系列電影中,「企業號」宇宙飛船可以實作曲速飛行、超光速抵達宇宙中的任何一個地方,依靠的正是反物質動力系統。

反物質的套用前景雖然誘人,但是目前這種物質對於人類來說還十分遙遠。據估算,大型強子對撞機要對撞1000年才能制造出1微克反物質。而要得到足夠多的反物質,就必須開發數個星球,建造圍繞整個星球的巨型粒子加速器。

所以,從生產成本上來講,反物質是世界上最昂貴的物質,每克反物質的價格高達62.5萬億美元(1克反氫原子的成本)。

順便一提,反物質和暗物質不是一回事兒。反物質是正常物質的反狀態。而暗物質則是理論上提出的可能存在於宇宙中的一種不可見的物質,它可能是宇宙物質的主要組成部份,但又不屬於構成可見天體的任何一種目前已知的物質。據測算,暗物質占宇宙總品質的85%以上。