把科學(xué)帶回家

專注于孩子的科普教育11-26 14:43

【本文由公眾號(hào)“把科學(xué)帶回家”提供，ID：steamforkids】

今天介紹世界上最貴的“物質(zhì)”，它們不能摸，一摸就消失。但是，科學(xué)家們卻可以把它們裝起來。這是怎么回事呢？

參考資料 NASA 等

編譯 七君

我們的世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，也就是電子和夸克等粒子構(gòu)成的。不過呢，這些粒子都有反粒子，也就是除了電荷相反以外，其他方面一樣的“孿生”粒子，它們就是反物質(zhì)。

反物質(zhì)是首先被數(shù)學(xué)預(yù)言，然后才被找到的東西。

1928年，量子力學(xué)奠基人保羅·狄拉克在解方程的時(shí)候發(fā)現(xiàn)方程存在2個(gè)解，類似于 (x2-1)=0有+1和-1兩個(gè)解一樣。不過，狄拉克沒有排除另一個(gè)解，而把它寫到了論文 The Quantum Theory of the electron 里面。

1931年，他又發(fā)了一篇叫做 Quantised Singularities in the Electromagnetic Field的論文，描述了反物質(zhì)存在的可能性。

一年多后的1932年，有人（美國物理學(xué)家 Carl Anderson）居然真的拍到了一種反物質(zhì)——正電子的照片。因此，人們開始重視起狄拉克對(duì)反物質(zhì)的預(yù)言，并開始尋找其他反物質(zhì)。

1932年，Carl Anderson拍到的云室里的正電子軌跡，中間的是6毫米厚的鉛板。

@wikipedia

雖然能夠拍到反物質(zhì)，但是制造和捕捉它們又是另一回事了。科學(xué)家在2010年才首次成功捕捉了反物質(zhì)。

捕捉反物質(zhì)的難度在于，它們?cè)谟钪嬷泻苌僖姡ú蝗挥钪婵赡茉缇筒淮嬖诹耍?，而且遇到物質(zhì)會(huì)爆炸，倆倆碰碰樂相消，同時(shí)釋放出能量，這個(gè)過程叫做湮滅。0.25克的物質(zhì)和0.25克的反物質(zhì)相遇湮滅釋放出的能量，等同于5千噸的TNT。

而且，反物質(zhì)是世界上最昂貴的東西。

根據(jù) NASA 在1999年公布的消息，一克反物質(zhì)的制造成本是6.25*1013美金。2015年的制造成本的數(shù)量級(jí)也在萬億美金的級(jí)別，小國恐怕舉全國之財(cái)力都造不出來。

不過呢，我們生活中會(huì)遇到反物質(zhì)。

例如，香蕉會(huì)產(chǎn)生一種反物質(zhì)——正電子。一根香蕉平均每天會(huì)釋放出15個(gè)正電子，因?yàn)槟愕南憬独锖形⒘康拟?0（鉀的一種同位素），而鉀40會(huì)發(fā)生放射性衰變，并在這個(gè)過程中釋放出正電子（正β衰變）。當(dāng)然，你吃下含有鉀40的其他食物，也會(huì)產(chǎn)生正電子。

鉀40有多種衰變途徑，其中一種是β+衰變，釋放出正電子并衰變?yōu)闅?0。

除了香蕉里的反物質(zhì)，科學(xué)家們也曾經(jīng)觀測到雷暴產(chǎn)生反物質(zhì)的證據(jù)。還有，醫(yī)學(xué)上常用的正子斷層照影（PET）就是利用正電子進(jìn)行的。

正子斷層照影（PET）設(shè)備

@uiowa

PET 技術(shù)常常被用來檢測癌癥和腦部成像。PET 利用能夠產(chǎn)生正電子的放射性同位素，讓它們和人體內(nèi)的物質(zhì)，比如葡萄糖結(jié)合。這些物質(zhì)接著會(huì)釋放出正電子并和人體內(nèi)的物質(zhì)接觸湮滅，湮滅的過程產(chǎn)生伽馬射線，就可以被檢測到了。

正子斷層照影（PET）產(chǎn)生的圖像

@seeker

地球的磁場也類似于一個(gè)反物質(zhì)阱，能困住反物質(zhì)。科學(xué)家們也也曾經(jīng)在地球附近的范艾倫輻射帶里找到了反質(zhì)子。

地球的范艾倫輻射帶的藝術(shù)描繪

@NASA/Scientific Visualization Studio

所以問題來了，既然香蕉也會(huì)產(chǎn)生反物質(zhì)，為什么反物質(zhì)還這么貴呢？

因?yàn)?，要大量制造和?chǔ)存反物質(zhì)很不容易。

美國費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab’s Tevatron particle accelerator）總共產(chǎn)生了15 納克（1納克 = 1克的十億分之一）的反質(zhì)子（帶1個(gè)單位負(fù)電荷，類似于質(zhì)子的反物質(zhì)），歐洲核子研究中心（CERN ）制造出了1 納克的反質(zhì)子，德國電子加速器（DESY）制造出了2 納克的正電子。

CERN

@seeker

2015年時(shí)，儲(chǔ)存1克反物質(zhì)需要2.5*1016千瓦時(shí)的能量。2018年，CERN 公布，BASE 實(shí)驗(yàn)成功無損地在6 開爾文（-267 攝氏度）的真空中儲(chǔ)存了幾粒反質(zhì)子1年。CERN 稱，這些反質(zhì)子是宇宙中最冷也是最長壽的反物質(zhì)。

所以，天價(jià)反物質(zhì)是怎么制造的呢？在瑞士日內(nèi)瓦，有制造反氫（氫的反物質(zhì)）的工廠。一起來看看吧。

CERN 的反物質(zhì)工廠

@CERN

科學(xué)家們首先用質(zhì)子同步加速器，讓質(zhì)子加速，然后使其和一些金屬（如鐳）相撞，產(chǎn)生的物質(zhì)中有一些是反質(zhì)子。然后，用磁場可以過濾這些粒子，因?yàn)榉次镔|(zhì)的電荷和普通物質(zhì)相反嘛。

CERN的質(zhì)子同步加速器

@CERN

不過呢，反質(zhì)子沒有顏色也沒有氣味，用肉眼無法分辨。好在，反質(zhì)子有獨(dú)特的電磁頻率，能讓科學(xué)家檢測它們的存在。

接著，反質(zhì)子要通過這個(gè)六角形的儀器 ELENA（extra low energy antiproton ring）。ELENA是一個(gè)減速器，它可以把反質(zhì)子減速50倍（從5.3MeV減速到0.1MeV）。

讓反質(zhì)子減速的六角形裝置 ELENA

然后，減速后的反質(zhì)子和正電子結(jié)合，就可以形成反氫原子了。

氫（左）由質(zhì)子和電子構(gòu)成，反氫（右）由反質(zhì)子和正電子構(gòu)成。

對(duì)了，反氫和氫的顏色是一樣的。2018年4月，CERN 的 ALPHA 課題組發(fā)表在《自然》上的研究指出，反氫和氫的顏色沒有差別。

氫弧燈中氫原子被激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的顏色

@NASA-Ames 

最關(guān)鍵的問題來了，既然反物質(zhì)和物質(zhì)相遇會(huì)湮滅，那么怎么儲(chǔ)存反物質(zhì)呢？

還記得吧，某些反物質(zhì)也是帶電的，比如正電子，所以可以用磁場困住它們。其中一種反物質(zhì)陷阱，叫做彭寧離子阱，它類似于小型的加速器，可以困住反質(zhì)子和正電子。

CERN 的 BASE 實(shí)驗(yàn)采用的彭寧離子阱

但是它對(duì)中性粒子，比如反氫沒有用，因?yàn)榉礆洳粠щ?。?duì)于這類不帶電的反物質(zhì)，要用 Ioffe-Pritchard 阱（IP trap）來裝。

不過呢，現(xiàn)在我們還沒有辦法帶著大量反物質(zhì)到處走。

把反物質(zhì)裝到卡車?yán)?，然后運(yùn)到幾百米外的地方，是 CERN 的一個(gè)叫做 PUMA 的研究項(xiàng)目的目標(biāo)。PUMA 想要在2022年把含有反物質(zhì)的阱裝到卡車上，然后運(yùn)到幾百米外的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)場地 ISOLDE。

這樣費(fèi)勁，是因?yàn)?ISOLDE 這里會(huì)產(chǎn)生稀有的放射性原子核，這些原子核會(huì)很快消失，因此無法搬運(yùn)，只能讓別人自己過來先。反物質(zhì)運(yùn)過來以后，就會(huì)和這些短命的放射性原子核碰撞，這樣科學(xué)家就可以研究這些珍稀原子核的結(jié)構(gòu)了。

2022年，PUMA 的小卡車被交警攔下。

交警：車上運(yùn)的什么？

司機(jī)：反物質(zhì)。

交警：少來。打開看看。