每克62万亿美元,这是地球上最贵的物质,可让人类实现星际旅行

原标题:每克62万亿美元,这是地球上最贵的物质,可让人类实现星际旅行

我们现在掌握了一个规律,什么物质的作用最大、蕴含的能量最高、且最稀有,什么物质就越昂贵。

那么什么物质最稀有呢?或者什么物质中蕴含着人类所需要的能量呢?你可能想到了黄金这种稀有金属,以及像铀这种核裂变的材料。

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这两种物质确实相对于其他元素来说比较难获取,但是它们在地球上的储量还是非常多的,而且在宇宙中这两种物质可以说是取之不尽用之不竭的。

今天我们要说的这种物质,不仅在地球上找不到,甚至你找遍全宇宙也发现不了它的踪迹,它就是反物质,不仅稀有,而且它发生反应以后,所释放的能量是核反应所不能比拟的。

你之前可能听说过反物质,也许你已经忘了它到底是什么?

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其实反物质就是正常物质的对立面,或者说是正常物质的反版本,与组成正常物质的所有粒子在属性上基本是相同的。

它们有相同的质量、相同的自旋、相同的电荷数,例如以最简单的氢原子来说,它由质子和电子组成,这是我们熟知的正物质,但氢原子的反版本就是反氢原子,它由反质子和反电子组成。

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反粒子和正粒子的区别在于,它们的电荷相反、重子数和轻子数相反。

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这就导致了它们之间的价值有着天壤之别,一克氢原子分文不值,因为在地球上的水中有很多的氢原子,你自己在家里通过电解水都能制造出氢气。

但是1克的反氢原子在宇宙中你是找不到的,虽然人类已经掌握了制备反物质的方法,但是1克最简单的反氢原子的价值在62.5万亿美元。

这差别可见一斑。它除了稀有以外,对人类来说它的作用太大了,是目前已知所有物质都不能替代的作用。

为什么我们在宇宙中找不到反物质?

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虽然现在我们在宇宙中找不到反物质,但是在宇宙的早期,也就是大爆炸刚发生的1分钟内,反物质在宇宙中是相当丰富的,科学家估计反物质和正物质在当时的量是相等的。

也就是说有多少正物质就有多少反物质,这两种物质是由早期宇宙中高能辐射相互撞击产生的,原理非常简单,就是爱因斯坦的质能方程;

当两个高能光子在相互撞击以后,它们所携带的能量大于某种粒子的静止质量(能量的一种形式)时,能量就会自发的产生这种粒子的正反粒子版本。

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然后产生的正反粒子由于电荷相反会在瞬间发生完全的湮灭,又会产生两个高能光子,然后这两个光子又产生正反粒子,又湮灭....,一直这样循环。

当宇宙在膨胀冷却,光子能量降低到不足以产生正反粒子的时候,那么之前产生的数量相等的正反物质就会两两湮灭抵消掉;

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所以科学家认为大量的正反物质湮灭以后,宇宙应该除了光子以外,只会剩下非常少量的正物质和反物质粒子,它们之间由于距离非常遥远而无法湮灭;

这样的宇宙就不会产生我们今天看到的行星、恒星、星系,以及由正常物质构成的大尺度结构。

但事实上,观察我们今天的宇宙,确实被正常物质所主导,而反物质却消失的无影无踪了,这只能说明当时宇宙中发生了我们现在理论上无法理解的事情;

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导致现在物理学上的一个难题,就是所谓的正反物质数量不对称的问题。目前看来,早期的宇宙中正物质比反物质数量应该多了1/10亿,最终把反物质消耗完以后,剩下的正物质就留到了今天;

这些正物质就组成了我们今天在宇宙中看到的一切,包括你和我,以及你手中的手机。

至于当时发生了什么?虽然我们现在不知道,但科学家相信一定还有某种质量更高的粒子没有被我们发现,正是这种粒子的正反物质版本不服从电荷对称(也就是C对称破缺)、以及电荷守恒(也就是CP对称破缺),并且破坏了重子数守恒。

它在衰变的时候,就产生了正反粒子的不对称。希望未来我们可以找到这种粒子,解开反物质的消失之谜。

反物质为什么这么贵?

上文说了,反物质和正物质相见以后就会完全湮灭掉,是那种连渣都不剩的反应,并且将它们自身所包含的质量会瞬间转化为纯能量。

这个反应的效率要比核反应高出数百万倍,核反应也只是通过原子核中质子和中子的重新组合释放出一部分有强力产生的结合能。

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这个过程中只会损失一小部分质量,例如三个质子结合在一起形成氦4以后,你拿称一称,其实质量只损失了7%。相当小的一部分。

但是你要拿四个反质子和四个质子,让它们相遇,那么就会瞬间损失8个质子的质量,上图中的数字你可以大概算一下,这个差距非常大。

所以反物质确实比核能更加高效,而且没有任何的残渣,也就没有污染。这种物质简直就是宇宙中的终极能源。

对人类来说这种物质的作用太大了。

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如此大的作用,而且在宇宙中基本找不到,人类制造起来还需要花费大量的时间和精力,而且就算制造出来,我们现在还没有一个好的办法储存它。

其实人类从上个世纪发现反物质以来,已经制备了极其少量的反物质,也就是反氢原子。

从上世纪开始费米实验室的电子加速器产生的反物质总量加起来只有15毫微克,大型强子对撞机产生的反物质粒子加起来只有1毫微克。

一克相当于十亿毫微克,这意味着人类想造一克这样的反物质,需要数万年的时间。

而且这种物质还没有办法储存,它和正物质会发生反应,所以这种物质就不能装在我们已知的所有容器中,而且也不能接触到空气。

必须在真空中用磁场约束住才行。

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其实反物质不仅可以让我们实现星际旅行,利用巨大的能量将飞船加速到接近光速,而且它在医学上还有很大的用途。

例如正电子发射断层摄影术(PET),正是利用正电子产生的高分辨率的身体图像,它的成像效果远远优于x射线扫描,此外,欧洲核子研究中心的ACE项目的科学家已经研究了反物质作为癌症治疗的潜在候选物。

虽然说大量的制备反物质,以及储存利用它们,对人类来说还非常遥远,毕竟我们现在连核反应都没玩转呢,只要掌握可控核聚变,那么人类的能量问题也就基本解决了。

未来我们才能谈论反物质能源的问题,导致人类要是用上了反物质,那么我们估计已经具备了殖民整个银河系的能力。

虽然很遥远,不过幻想和梦想是不能少的。

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