Re: [問卦] 反物質在幹嘛用的

※ 引述《Dcwei (野心家)》之銘言：
: 以前常常看到反物質這個詞
: 還有說 1克就相當於2顆廣島原子彈的威力
: 這東西是人類想像出來的嗎

反物質(Antimatter)是1928年，英國理論物理學家狄拉克（Paul Dirac）將
量子力學中的薛丁格波動方程（Schrodinger's wave equation）作了些許修正，
把愛因斯坦的狹義相對論也涵蓋在內。當他以這個新方程式來求解自由電子時，發現
那個赫赫有名的質量-能量互換公式：E=MC^2並非完全正確。

實際上有正、負兩種能量狀態，也就是 E = ±MC^2。(正負號來自於對某個數值開
根號的結果) 即正能量電子（正常電子）與負能量電子（未知粒子）

負能量意味著負質量，這讓科學家無法接受。為此，狄拉克提出「洞理論」(Hole
theory）或稱為「空穴理論(想要研究這個理論的人推請自行google)來解釋這個結果。

這個「洞」象徵著真空狀態失去了一個具有負能量、負質量與負電荷的電子。
也就是說，它的行為與電子一模一樣，除了是帶相反的電荷，所以又叫做「反電子」
(positron，又稱陽電子、反電子、正子)。

狄拉克預測了反電子的存在，而且認為在真空狀態下，可以產生「反電子-電子對」，
彼此也可以相互「湮沒（Annihilation）」。

1932年，美國物理學家安德生（Carl Anderson）發現了反電子的存在。這是第一顆
發現的反粒子。他因此獲得 1936 年的諾貝爾物理學獎。

在這之後，科學家發現每一個粒子都有一個反粒子的存在。反質子是在1955年於
加速器中被製造出來，它帶的電荷為負，其餘的性質跟質子一樣。

理論上，既然反電子、反質子都弄的出來，反原子也不是不可能(換句話說，反物質
是存在的)，甚至是反人、反核、反骨、反同、反清復明都有可能！
ps.目前已經可以作出的反元素是反氫(Anti-Hydrogen)！

那你會問，反物質的應用在哪？

除了學術上的粒子物理研究，其他像是電子斷層掃描(PET, Positron Emission
Tomography）—用於癌症檢測和大腦研究，或是像在《阿凡達》中，為了前往
人馬座alpha星，人類建造了長達1英里、使用混合反物質發動機的太空船。

電影《達文西密碼之前傳：《天使與魔鬼》中，有個激進組織試圖用反物質炸彈
摧毀梵蒂岡；他們知道物質與反物質接觸時會引發超級巨大的爆炸(物質與反物質
接觸會產生102萬電子伏特的γ射線！

經過計算，1顆反物質炸彈所釋放的能量相當於 4,282,849,987,940個 營養午餐(
以每份午餐熱量700大卡來計算)，在這威力之下，管你是碳基、氮基還是拉基生物，
都得冷靜下來。

高性能ですから！ ︿(￣︶￣)︿

回到前面。宇宙大爆炸之初，正反物質的數量應該相等。

然而現今宇宙中的正物質卻遠多於反物質，因此科學家想知道反物質為何消失。」

在1950年代，當時的一位蘇聯科學家沙卡里巴(Andrei Sakaharov)，sorry，沙卡洛夫
認為在大爆炸發生時，由於「CP不守恒」(charge-parity violation)所導致的不對稱，因而產生正反物質的數量上的差異。也就是說，在大爆炸之後，只有少許的物質殘留
下來並形成了今日我們所看到的宇宙。

一直到 1964 年，美國物理學家克羅寧(James Cronin)與瓦爾‧菲奇(Val Fitch)，
首次在實驗中發現次原子粒子( K介子)出現 CP violation現象，科學家才開始相信
反物質的消失可能與 CP violation有關。

Merry 阿彌陀佛！天佑宇宙！其實這是一件好事，不然，如果物質與反物質的數量
一樣的話，那他們就會完全抵消，最終構成我們身上的原子便不復存在。

先前說過，反粒子所帶的電荷與物質是相反的，但是，未攜帶電荷的粒子(像是光子
或是重力子)的反物質就是自己。也就是說，重力與反重力都是指同一件事，所以
處在重力的環境之下，反物質仍會往下落，而不是往上飄。至於，為何正反物質對
宇宙基本作用力的反應差異跟反物質的消失有關，就請五樓解釋。

再來說到保存。

由於反物質一旦接觸物質會發生爆炸，所以它不能放在一般容器，好比你隨手拿
個馬克杯說要裝反物質，這無異是個自殺之舉！要怎麼保存呢？
方法之一就是將反物質『離子化』，再置入磁瓶中保存！

美國科學家史密斯(Gerald Smith)，他研發了一種叫潘寧阱(Penning Trap)的東西，
重量約100公斤，其中大部份是液態氦與液態氮（低溫下，反質子的波長是內壁原子
的數倍，因此不會撞上內壁而自我毀滅），可以將一兆個反質子儲存在磁場中，理論
上，這種儲存方式只有五天的保存期限。CERN的反質子儲存方式用的就是這種方法。

十年前的反物質的年產量約，10^-9~ 10^-8克(十億分之一克～一億分之一克。)預計
每年的產量約是三倍左右成長。至於生產成本，如果要生產一公克的反物質預計得花
費數百萬億美元，而且工廠要連續運作一億年！比血汗工廠還要血汗啊！
(這還不計算保存反物質的成本。)

更諷刺的是，若將世界上所有的實驗室產出的反物質全部加起來，再用物質破壞，
產生的能量只夠讓一顆燈泡亮個幾分鐘。

註:
七十年前，1942/12/02，鈾反應堆產生的動力也是只能點亮一顆小燈泡，但在3年之後，這玩意卻讓日本的長崎與廣島付出了慘重的代價。

既然製造反物質那麼困難(目前是從對撞機產生)，產量也比日本製壓縮機還稀少，
那麼我們是否可以去宇宙中找反物質呢？先前提過，物質與反物質接觸會產生102萬
電子伏特的γ射線，只要偵測這個數值，搜尋宇宙中的γ射線，就有機會找到自然
存在的反物質。可惜的是，目前仍是一無所獲。

為什麼宇宙幾乎都是物質，而找不到反物質呢？

對於這個問題，如果科學家們去台灣的街道上隨便捉個人問，他會得到這個答案：

「是有多難找？我敢說那絕對是藍白刪預算的關係！」

以上。

參考書籍:
1.電影中的不可能物理學
2.wiki
3.穿越超時空

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對流血一週仍然不死的生物千萬不能大意……。

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