反物质的发现、是好事还是坏事？科学家给出答案，让人大开眼界

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在一些科幻电影和小说中，经常会有反物质武器和反物质空间等概念，或者将反物质作为星际飞船的超级燃料。它的能量超乎人们的想象。仅仅一克反物质释放的能量就相当于两颗广导原子弹。10克的反物质推力就能让飞船一个月到达火星。同样，它的造价也极其昂贵，一克的反物质高达上百万亿美元，是什么机理造成了反物质具有如此巨大的能量？又是什么原因导致了反物质的造价无比昂贵？在正式进入今天的主题之前，先让我们一起来思考，反物质的发现、是好事还是坏事。

1.反物质的由来

关于反物质的研究，首先得从英国物理学家保罗.狄拉克说起。在微观世界中，粒子所处的位置只能用概率来进行描述，而描述这种概率的方程就被称之为波函数方程，由薛定谔所提出，因此也叫薛定谔方程。薛定谔方程虽然很好，但其本质是非相对论形式的，所以在描述高速运动的粒子时就会出现问题，为了解决这一问题，在1929年的时候，狄拉克把相对论引进了量子力学，建立了著名的狄拉克方程，不过在当时这个方程引起了很多人的质疑，在使用狄拉克方程求解的过程中，电子会出现负能级。这就与常识相悖了，电子有很多不同的能级，最低的能级为基态，其上可能有第一激发态、第二激发态等等，但哪里来的负能级呢？狄拉克最终给出的解释是：负能级带有正电，因其已经被带有负电的电子填满了，所以电子就不能跃迁到负能级，所以我们也意识不到它的存在。这片由负能级和电子所组成的区域就是我们所说的“真空”。1931年，狄拉克又预言了电子的反粒子及反电子的存在。他还进一步提出，质子及其他粒子也应该有相应的反粒子。如果所有粒子都有反粒子，那么就有可能存在完全由反粒子组成的物质，这种就是反物质。这就是人类第一次意识到可能存在反物质。

为了探索反物质之谜，在1932年，美国科学家安德森在利用实验设备“威尔逊云室”观测宇宙射线的时候，无意中发现了带有正电的电子，安德森将其称之为正电子，电子都是带负电的，所以正电子就是电子的反粒子。随后，在1955年，意大利物理学家塞格雷和美国物理学家张伯伦又发现了反质子，仅1年之后，1956年，美国科学家考克就发现了反中子。渐渐地人们意识到，不仅仅是电子、质子、中子，所有微观粒子都有相对应的反粒子。在很多年以后，1995年，欧洲核子中心的瓦尔特带领科研团队制造出了反氢原子，至此，人类拥有了制造反物质的能力。

2.反物质的威力

在物理学中“守恒”是非常重要的，因此在爱因斯坦完成狭义相对论后，如何按照E=MC²，把尽可能多的质量“引出来”变成能量释放出去，就成了物理学研究的一个热门。科学家按照爱因斯坦狭义相对论的“能量守恒公式”，造出了原子弹和氢弹，但由于原子弹（转化率0.135%）和氢弹（转化率0.7%）的核裂变能量释放转化率过低。所以科学家把注意力转移到了“更加危险”的反物质研究。反物质我们可以简单的理解为是正常物质的镜像，它们是对称的，两者之间有一个非常重要的特性，当反物质和物质结合时，会相互湮灭、抵消，并产生巨大能量。正反物质发生湮灭之后，不会再生成任何相应的物质元素，而是会变成两个不具备质量的光子，这说明，正反物质发生湮灭释放能量的过程中，所需要消耗的是两种物质的全部，也正是因此，比起核裂变或者核聚变来说，正反物质湮灭释放的能量都是任何一种反应形式无法比拟的。根据质能方程E=MC²，如果一克反物质脱离磁束缚与正常物质发生接触，那么这克反物质就会和正常世界中的一克物质发生湮灭，一共两克物质将化作纯能量释放出去，威力则相当于4.3万吨TNT爆炸，简而言之，一克反物质的威力相当于两颗广岛原子弹。这样的能量究竟是个怎样的概念呢？并且反物质湮灭还不同于原子弹爆炸，它是不会产生辐射的，也正是因此，反物质也就自然而然地成为了一种比核能更加理想的能源物质。

3. 反物质的价值

为了探索反物质之谜，科学家发明了造价千亿的粒子对撞机，物理学家们利用这种装置来收集“反物质”，目前，在实验室中制造正电子、负质子等基本反粒子已经实现，但除了反氢原子，对于构成反物质的其他反原子、反分子还都一无所获。迄今为止，美国费米实验室造出的所有反质子加起来只有不到15毫微克，而世界上最大的粒子物理研究中心欧洲粒子物理研究所创造出的所有反物质只有一毫微克。以目前的科技水平来说，要想得到一克的反物质，似乎是根本不可能实现的。

即便是用世界上最大的大型强子对撞机，也至少要对撞数百万年才能得到，不仅如此，反物质不同于普通物质，但凡碰到一点普通物质，它们就会发生湮灭反应，继而消失，因此，即便有能力大规模制造反物质，要想将它们储存起来也是非常困难的事情。但是随着科学家们的不断研究发现，通过磁场的干预似乎能够延长反物质的存在时间，从最初的几微秒延长至了约0.17秒。虽然这个时间看似依然非常短暂，但对科学家来说，能延长至这样的时间长度已经是极限了，虽然科学家们对反物质的研究已经得到了初步的成果，但是要想彻底掌握这种能源，我们要走的路还是非常长的。由于反物质十分稀有，它的市场价格曾高达100万亿一克，经过几年的科技发展之后，如今的反物质的制作成本仍然高达约62.5万亿一克，这样昂贵的成本也限制了反物质不可能被私人拥有，只能为国家控制，对人类来说算是万幸。

4. 反物质的用途

其实反物质在医学领域已经得以应用。不少医院使用的PET设备就是通过正电子来显示身体图像。简单来讲就是向身体注入正电子，正电子会与我们体内的电子发生湮灭，并释放出能量，而这股能量会产生强光，可以让身体内的病变更容易被发现。反物质虽然能够应用于医疗，但其真正的价值并不在此。大家知道，一切以创造出大规模“能量释放”为目标的研究，最终都是为了军事方面服务，原子弹和氢弹如此，反物质的研究也不能免俗。比如今年很热的科幻片《流浪地球2》，整部电影设定的主基调就是用了“反物质与正物质”的概念。然而，反物质并非只存在被用作“毁灭性武器”的价值，科学家不停研究反物质的动力在于，反物质可以用来应对地球未来产生的“能源危机”，以及将来人类探索宇宙的能源动力。科学家发现反物质能将人类带进“宇航新时代”，它能打破人类对于宇宙飞船飞行速度的认知。有专家预测反物质能够将飞船的速度从目前最高的光速万分之一，提升到光速的十分之一，10克的反物质推力就能让飞船，一个月到达火星。那时人类星际移民将不在是个梦。这对于航天和物理领域来说是质的飞跃。