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科學家用鐳射照射真空,冒出一種神奇粒子,比氫彈威力還大
2022/03/06
2022/03/06

真空並不空,如果我們能通過某種手段把空間中的所有物質,輻射和引力波全都移除掉,仍會發現空間中有少量固有能量,這些能量怎樣都是剔除不掉的,這些能量就是反物質!

到目前為止,由真空延伸出來的前沿物理學有反物質,霍金輻射,宇宙起源之初正反物質不對稱之謎。反物質這東西的能量轉化效率是100%,即便是一克的反物質,釋放的能量也是十分巨大的,因為這一克反物質釋放的能量是以質能方程E=mc²的形式100%釋放出來的,能量能不大嗎?科學家估計,一克反物質的價值大約在62.5萬億美元!

那啥是反物質呢?反物質和真空有啥關係?

其實反物質的概念最早可以追溯到1927年。我們知道原子核外不是一直都有一群電子嗎?這些電子的運動速度很快,當速度達到一定界限,相對論效應就很顯著,所以當時物理學家狄拉克就用相對論推出了電子在高速運動下的相對論方程。

電子的相對論方程是個等式,這個等式在計算的時候會出現一個除了正能量之外的負能量值。那時候還沒有發現任何帶有負能量的粒子。但也不能說這個等式是錯的,所以狄拉克為了彌補電子的相對論方程中出現負能量值的結果,就提出來了真空中充滿了一種帶有負能量的電子「海」,這就是狄拉克之海。

一開始,狄拉克認為這種帶負能量的電子應該是質子,因為質子帶正電,可以和電子抵消。後來計算發現,帶負能量的這些電子質量應該是和電子一樣大的,但是質子質量遠大于電子。況且質子的能量是正能量,所以質子不可能是帶負能量的電子。直到1932年,美國物理學家卡爾•安德森在實驗室發現了這種帶負能量的電子。這種帶負能量的電子一旦和電子相遇就會100%湮滅

理論上來說,這種電子應該叫反電子。但是之前狄拉克等科學家就以「正電子」的名字預測了其性質,所以即便發現了這種反電子,後面也常用正電子的名字代替。但後面新發現的反粒子不會再單獨給它起名字了,統一稱之為反某某粒子。比如反質子,反中子等等。反粒子是自然界普遍存在的一種粒子,不要老是在評論區問我為什麼會存在反粒子,我也不知道為什麼會存在這種粒子,因為這就是自然現象。理論上預測,每一種粒子都有自己的反粒子,就和陰陽一樣,有正就有反。

反粒子遇見與自己相匹配的正粒子就會完全湮滅。湮滅的能量會以質能方程的形成完全釋放出來。你看核聚變和核裂變會釋放大量能量,其實也不過是虧損了很小一部分質量而已。你看人家反物質和正物質相遇,質量會100%釋放,那產生的能量豈不吊打原子彈和氫彈。反質子,反中子,反電子這些反粒子也可以像質子,中子,電子一樣構成反原子,由反原子構成的巨觀形態就是反物質。

那怎麼制造反物質呢?其實完全不用刻意制造反物質,因為宇宙中到處都有反物質,你眼前的空間,身體內就不斷有反粒子出現。因為在空無一物的空間中,也會冒出來一對正反粒子對。而且正反粒子會隨機,且毫無徵兆地從真空中突然冒出。一對正反粒子會憑空從真空中誕生,這時候正粒子帶的是正能量,反粒子帶的是負能量。

所以當正反粒子憑空出現的時候,能量守恆定律在微觀尺度上就暫時被「打破」了,因為這些粒子的能量是暫時向真空借的。有借就有還,所以這些正反粒子很快就會湮滅,然後釋放能量又歸還給了真空,能量守恆定律就又成立了。從巨觀尺度來看,宇宙空間的每個角落都會不斷憑空出現正反粒子對,並且很快又相互湮滅並且釋放能量。宇宙中的任何空間都會有源源不斷的正反粒子蹦出來,又相互湮滅掉,就和海浪一樣熱鬧。

所以科學家就想著,你正反粒子對 不是會源源不斷從真空中蹦出來嗎?那好,我現在趁你剛蹦出的的那一刻,趕緊用高能鐳射照射,把正反粒子的距離給拉遠,這時候你倆就不能湮滅了,所以真空中就會出現一個帶負電的電子,和帶正電的正電子(反電子)。這就是科學家撕破真空的設想,用高能鐳射照射真空,迫使照射點附近的正反粒子對還來不及湮滅就被拉開了,于是就會看到在鐳射的照射下,真空中會平白無故地冒出電子,所以在某種程度上來說,真空就被撕破了。

好了,要是剛才講得這些你聽懂了,那麼霍金輻射是怎麼回事,你也就會搞懂了。前面已經說過了,正反粒子在任何空間都會冒出來,那麼在黑洞視界邊緣的空間也不例外。人家黑洞多強的,光都能給你全吸進去了,更何況你反粒子呢。正反粒子也會在黑洞視界邊緣不斷冒出,如果一個反粒子剛好不慎落入黑洞視界內,而另一個留在黑洞視界外。

那麼落入黑洞的反粒子就再也出不來了。真空這時候內心肯定會想:你倆的能量是從我這裡借來的,你倆趕緊給我湮滅,再把能量還給我。但是正反粒子對中的一個粒子借了人家真空的能量進入黑洞了,黑洞外的粒子找不到自己反粒子來湮滅,所以借真空的能量就歸還不了了。留在黑洞視界外的粒子的能量就憑空留住了。所以這時候來看,黑洞視界外就會產生一種釋放實粒子的輻射,這種輻射現像是1974年最早由霍金提出的,所以也叫霍金輻射。

留在黑洞視界外的粒子攜帶的能量是額外從真空那借來的,現在能量還不回去了,這好像違背了能量守恆定律。從能量守恆定律依舊有效的角度出發,科學家就預測,落入黑洞的粒子必然攜帶了負能量,這種帶有負能量的粒子會與黑洞內的正物質相遇湮滅,來給真空還債。

所以黑洞內部的能量會慢慢變少,黑洞到時候就會蒸發掉。但是大質量黑洞又在不斷吞噬天體,黑洞內部就又有了源源不斷的能量攝入,所以大質量黑洞的能量一時半會還不會被負能量粒子抵消完。

但是小質量黑洞吞噬天體的能力有限,沒有持續地外在能量的攝入,小質量黑洞的能量就會比較快地被負能量粒子抵消完,直到蒸發消失。科學家計算,質量和月球相近的黑洞,也就是質量為4.5×10∧22kg(讀作4.5乘以10的22次方千克)的黑洞,吸收外在能量的速度和內部負能量粒子抵消能量的速度相等。所以低于這一質量的黑洞,只會不斷蒸發,直到徹底消失。之前科學家還用對撞機製造出來了微型黑洞,但是由于質量太小,這種黑洞幾乎還來不及吸收外在的能量,就很快被負能量粒子抵消掉了,所以人造黑洞在地球上存在的時間只能是轉瞬即逝,更不可能吞噬地球。

正反物質不僅可以預測霍金輻射,還可以解釋宇宙為什麼會發生大爆炸。按照物理學家之前預想,宇宙本來就不存在,因為宇宙誕生之前,正反物質數量一樣多,這就是正反物質對稱機制,所以正反物質會完全湮滅,以至于什麼都沒有。但是在138.2億年前的某一刻,宇宙中有一種未知的機制觸發了正反物質對稱機制。

正—反物質數量出現了失衡,正物質的數量大于反物質,所以額外多出的正物質就開始迸發出來了,導致宇宙發生大爆炸,大爆炸一開始,大部分正物質和反物質就已經相互湮滅掉了,但是還是殘留了部分正物質,這些正物質才組成了我們現在宇宙的萬物。 那宇宙誕生之初消失的反物質去哪裡了?目前物理學家還不知道,這依舊是現代物理學未解之謎,如果你能提出新的理論,解釋反物質消失之謎,那第二年的物理學諾獎非你莫屬。


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