Antimatter (Encore)
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以下是《无处不在的日常》节目的重播。反物质是世界上最昂贵的物质，其价格远远超过其他物质。当它首次被提出时，实际上是开玩笑提出的。然而，几十年后，这个玩笑被证明是真的。它是宇宙的基石，从各方面来看，它应该无处不在，然而却找不到它，物理学家们也不确定为什么。在本期《无处不在的日常》节目中，我们将进一步了解反物质，以及它是如何被发现的，以及它是什么。

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你们大多数人可能至少听说过反物质。反物质并非科幻小说中的东西，尽管它可能被用于科幻小说故事中。反物质是真实存在的，它不仅真实存在，而且是宇宙的基石。在我解释反物质究竟是什么之前，我应该先讲一个关于反物质发现的非常有趣的故事。

早在19世纪，物质和原子的结构仍然没有被理解。辐射尚未被发现，没有人知道原子有原子核，更不用说质子或电子等亚原子粒子了。在此期间，人们提出了几种关于物质性质的理论，其中包括负物质和以太的理论，这些理论很快就被推翻了。

“反物质”一词的首次使用出现在1898年，当时德英物理学家亚瑟·舒斯特给科学期刊《自然》写了两封信，他在信中只是随意地提出了一些想法。这些信并非旨在提出一个严肃的科学理论。舒斯特谈到了反原子，它们可以创造反分子，然后创造完整的反太阳系。

他还想知道这种反物质是否会产生一种反引力，这种反引力会排斥普通物质。他还提出，如果这种反物质与普通物质接触，它会湮灭普通物质。他的信是在物理学家实际提出并能够证明实际存在反物质的几十年之前写的，最终被证明具有极强的洞察力，即使他对反引力的想法被证明是错误的。在20世纪的头几十年里，人们对原子的运作、放射性和亚原子粒子的了解出现了爆炸式增长。

量子物理学得到了发展，我们对构成物质的究竟是什么有了更好的理解。但直到1928年，我们对反物质的当前理解才开始发展。量子物理学的创始人之一保罗·狄拉克意识到，薛定谔波动方程允许存在反电子，或者说是带正电而不是负电的电子。

1932年，美国物理学家卡尔·安德森在研究宇宙射线时证明了反电子的存在，为此他获得了1936年的诺贝尔物理学奖。他将这些新的反电子称为正电子。最终人们发现，所有基本粒子都具有一种对称性。除了正电子外，还有带负电的反质子。这些反粒子不仅具有相反的电荷，而且还表现出其他相反的量子特性。

尽管它们彼此相反，但它们的质量相同，并且行为方式完全相同。反物质背后的物理学还有很多内容，而不仅仅是说它们彼此相反，但就本期节目而言，我认为这种解释就足够了。关于夸克、反夸克和基本粒子的讨论，我将留待以后的节目再讲。

事实证明，反物质一直在我们周围产生，尽管数量非常少。当卡尔·安德森发现反物质时，他正在观察宇宙射线，事实证明，当宇宙射线以高速与大气中的粒子碰撞时，会产生反粒子。同样，β衰变也会产生正电子和电子。可以在粒子加速器中重现宇宙射线的高速碰撞，这也可以产生反粒子。

事实证明，粒子与反粒子表现出一种对称性，因此当你产生一个电子时，你也产生一个正电子。当你产生一个质子时，你也产生一个反质子。反物质最著名的属性可能是，如果它与普通物质接触，这两个粒子就会相互湮灭。这种相互作用将导致产生高能光子，通常以伽马射线的形式出现，以及中微子，可能还有一些其他的粒子对和反粒子对。

物质和反物质转化为能量的行为符合你可能熟悉的阿尔伯特·爱因斯坦的方程式。E=mc²。产生的能量等于粒子与反粒子的质量乘以光速的平方。可以这么说，转换少量质量会产生巨大的能量。此时，你可能已经注意到我刚才所说的话中存在一个问题。

如果物质和反物质成对产生，并且如果物质和反物质在接触时相互湮灭，那么为什么我们存在于一个由物质构成的世界中呢？在大爆炸期间产生的反物质应该和物质一样多。据我们所知，整个可观测宇宙都是由普通物质构成的。

如果存在反物质星系，那么物质宇宙和反物质宇宙之间必须存在某种边界，这将产生大量的伽马射线。而这从未被观测到。此外，考虑到所涉及的能量水平，这应该是一件很容易观察到的现象。那么，所有的反物质都到哪里去了呢？这实际上是物理学中最大的未解之谜之一。

目前还没有这个问题的明确答案，但目前的观点是，在大爆炸后的瞬间，由于某种原因，物质和反物质的数量一定存在某种不平衡。造成这种不平衡的原因尚不清楚，但当粒子与反粒子相互湮灭时，一定有粒子剩余下来。要么这种最初剩余的物质成为整个宇宙的基础，

要么这种不对称性在每次湮灭后都表现出来，每次都产生越来越多的普通物质盈余，直到不再有反物质为止。要回答这个问题，再说一次，这是所有物理学中最大的未解之谜之一，你必须研究反物质。但存在一个巨大的问题。当你与这种物质最基本的相互作用都会摧毁它时，你如何研究它呢？

这确实是一个巨大的问题，但这是一个工程问题，而不是物理问题。它始于反物质的产生。正如我提到的，可以在粒子加速器中产生反物质。某些高能碰撞会产生粒子-反粒子对。在粒子加速器中产生反粒子实际上是容易的部分。

一旦你产生了反粒子，你就必须把它与粒子分开。从这里开始的一切都必须在几乎完美的真空环境中进行，因为如果即使是一个普通物质原子与反物质相互作用，它也会消失。然后，反粒子在粒子加速器内以接近光速的速度四处飞驰，这带来了两个问题。第一个问题是，你如何把它包含起来，以防止它接触任何东西？

这是用强大的磁铁来完成的。因为反物质表现出与普通物质相同的特性，所以它可以用与普通物质相同的方式用磁铁来包含。磁约束必须是恒定的，否则当它接触到墙壁时，它会与物质发生相互作用。假设反粒子被包含住了，那么你必须减速粒子。是的，它必须进入粒子减速器。这也用磁铁来完成，它基本上是粒子加速器的反面。

最后，一旦你把它减速到足够慢，你就可以把它包含在一个被称为“磁瓶”的东西中。2011年，瑞士欧洲核子研究组织的研究人员成功地创造了第一个反氢原子，它由一个反质子和一个正电子组成。他们能够将反氢原子储存长达17分钟。2014年，欧洲核子研究组织还成功地用磁束发射反氢原子，他们计算出多达80个反氢原子。

目前储存反质子的记录是405天，使用的是所谓的彭宁离子阱。彭宁离子阱是只对带电粒子（如反质子或正电子）起作用的磁性装置，而不是对中性物体（如反氢原子）起作用。这个过程极其困难，而且极其昂贵，最终结果只是极少量的反粒子。

这个过程如此昂贵，结果如此微薄，以重量为单位，反物质是宇宙中最昂贵的物质。它非常昂贵，据估计，一克反氢的价值在62.5万亿到2700万亿美元之间。

无论你使用哪个估计值，它都将是美国整个国民生产总值的许多倍，并且可能超过世界上的所有经济活动。然而，以目前的生产速度，制造一克反氢需要100亿年。尽管已经产生了极少量的反物质，但人们对其进行了有限的研究，并且证实了许多关于反物质行为与普通物质相同的信念。

人们计划寻找更有效的方法来创造或收集反物质。一种方法是向地球周围的范艾伦辐射带发射一个带有磁瓶的飞行器，该辐射带包含许多被地球磁场捕获的高能粒子，其中一些包括反粒子。同样的方法也可以应用于木星周围的磁场。即使你没有得到很多，它仍然比在地球上制造的要多得多。

到目前为止，我所谈论的一切大多是理论上的。是的，反物质确实存在，但数量不多，自然产生的反物质几乎会立即消失。这种物质可能会有实际用途吗？答案是肯定的。首先，我将从解决你们许多人可能正在思考的问题开始。如果反物质和物质相互湮灭，你能不能用这种物质制造一个极其可怕的炸弹？理论上，是的，你可以。

然而，正如我刚才解释的那样，制造反物质非常非常困难和昂贵。整个反氢原子不能长时间储存，而且你能制造的原子数量也很少。即使假设你能解决这些问题，它也极其危险。即使是磁约束的最小问题或真空密封的最小破裂，也会让你的反物质武器在你面前爆炸。

广岛原子弹中转化为能量的物质量只有大约四分之三克。因此，鉴于我上面给出的成本估算，需要世界经济的大部分来制造足够的反物质，以制造今天被认为是小型原子弹的东西。所以，这是我不会为此失眠的事情。但是，如果你不必储存任何反物质呢？如果你能以某种方式在它被创造时使用它呢？

好吧，事实证明，你不仅可以使用反物质，而且它实际上非常常见。它被用于所谓的PET扫描。PET代表正电子发射断层扫描，它是医学中一种相当常见的工具。在PET扫描中，病人会摄入少量会发生β衰变并发射正电子的放射性物质。正电子会立即湮灭，然后发射伽马射线。

围绕病人的探测器捕获这些伽马射线，从而可以构建三维图像，揭示示踪剂的分布，并提供对细胞和代谢过程的深入了解。PET扫描用于许多医疗治疗，包括癌症、心脏病和传染病。

我们对反物质仍然有很多不了解，而我们的大部分无知都是由于研究它的困难造成的。尽管如此，反物质是真实存在的，它是我们宇宙的基石。即使我们不知道为什么，它的数量也不应该比现在多。

《无处不在的日常》节目的执行制片人是查尔斯·丹尼尔。副制片人是奥斯汀·奥克顿和卡梅伦·基弗。