反物质是什么物理原理？反物质怎么制造

本文目录

• 反物质是什么物理原理
• 反物质怎么制造
• 既然正反物质放到一起会湮灭，放出能量，那么在咱们这个正物质的世界如何保存反物质
• 中子有反中子吗
• 如何理解宇宙中的暗物质、暗能量、反物质，它们之间的逻辑关系是什么

反物质是什么物理原理

反物质是世界上最贵的东西，一克反氢原子的成本，高达62.5万亿美元，而这种只能在粒子加速器中，被微量制备的物质，也是全宇宙爆炸威力最大，能量释放最彻底的物质，没有之一。

根据质能方程，能量等于质量，乘以光速的平方。

如果一克反物质暴露在空气中，或者与正常物质发生接触，那么这克反物质将会瞬间湮灭，并伴随释放出，相当于4.3万吨TNT爆炸的能量。

要知道“小男孩”的设计当量才2万吨！

所以说，一克反物质的爆炸威力，相当于两颗早期原子弹。

那么问题来了，反物质究竟是何方神圣，它的威力又为什么这么大？

1928年物理学家狄拉克，第一个预言了反物质的存在，用物理学家的话来说，反物质是由与普通物质相同但带相反电荷的粒子组成的。

打个不太恰当的比方，反物质和普通物质就好比是“互为相反数”的关系，它们一旦发生接触，就会彼此抵消，最后除了能量啥也不剩。

根据爱因斯坦狭义相对论中的质能方程，任何形式的能量释放，本质上都是质量亏损。

化学反应前后，其实质量也发生了亏损，只不过极难被测出来而已。

一旦从化学反应深入到核反应，质量亏损就显而易见了，以核聚变为能量释放的氢弹，质能转化率达到了0.7%，以核裂变为能量释放的原子弹，质能转化率只有0.08%，这也是为什么氢弹威力比原子弹大的直接原因。

质能转化率越高，能量释放就越彻底，相应的威力也越大，在反物质的质能转化率，达到100%的情况下，它自然而然就拥有了，一克相当于两颗原子弹的威力。

和距离成功永远只剩50年的可控核聚变相比，反物质才是最理想的终极能源 。

NASA的计算表明，如果有17克反物质和正常物质发生湮灭，那么释放的能量，将能让飞船到达4.22光年外的比邻星，而且跑得比核聚变飞船还快，比旅行者一号不知道高到哪里去了。

但可惜的是，物理学家目前只能在高能对撞机中，短暂撞出粒子级别的反物质，只有在极少数情况下，才能用电磁陷阱，将反粒子限制在磁场中，所以目前地球上存储的反物质，其实还不够烧开一杯水。

在一系列有关反物质的未来畅想，最后都会变成反物质炸弹的情况下，现阶段的人类无法制备反物质，未尝不是一件好事。

毕竟比起核弹的“小打小闹”，反物质的威力虽然不至于把地球炸碎，但足以动摇地球的基本结构，引发全球范围内的次生灾害。

下面讲一些非暴力的内容

在大部分科幻小说和电影里，我们都能看到反物质的身影，它们要么变成了炸弹，要么是变成了飞船的能量来源，但不论是炸弹还是飞船，都还算是比较务实的科学幻想，早晚都会成真。

但在另一些科幻作品中，反物质直接构成了“另一个宇宙” ，也就是平行宇宙的一种。

从“反物质平行宇宙”里来的人，如果和本宇宙的“自己”发生接触，那么两个人将瞬间湮灭，并摧毁周围的一切。

结语

E=MC作为大名鼎鼎的质能方程，它阐明了“微小质量对应巨大能量”这一事实，理论上来说任何一克物质都拥有至少一颗原子弹的威力，但除了正反物质湮灭外，人类现在并没有发现其他能百分百转化的能量释放形式。

所以说，在未来相当长一段时间内，质能转化率仅有0.7%的核聚变，都将是人类所能掌握的，最“高能”能量应用方式。

从质能方程反推，巨大的能量也能再转化为微小的质量，如果未来的技术条件允许，那么人类完全可以用能量生成物质，制造所需的一切，甚至是将自身纯能化。

反物质怎么制造

我们周围世界的物质是由原子、分子、离子等组成的，原子又是由带正电的原子核及核外带负电的电子组成，原子核又是由带正点的质子及不带电有一定磁矩的中子组成。90多年前的时候，狄拉克从理论上预言了存在带正电的电子、带负电的质子等反粒子。严格说来反粒子算不上反物质，由反粒子组成的原子分子等才是反物质。

1932年，安德森从宇宙射线中发现了正电子，标志着狄拉克对反粒子的预言得到了证实。后来又陆续发现了质子、中子等其他粒子对应的反粒子，并且还证实了粒子和反粒子相遇会发现湮灭，将所有的质量全部转化为能量。如果制造出来了由反粒子组成的反物质，利用反物质和物质湮灭可以获得巨大的能量，比核裂变、核聚变的效率要高得多。利用反物质作为能量来源，发射一艘飞船可能只需要十几毫克的反物质就可以了。

正是由于物质和反物质会发生湮灭反应，反物质的制造和储存并不是一件容易的事情，目前人类只能制造最简单的反氢原子，并且制造量很少，同时储存时间非常短暂，多则几分钟少则瞬间消逝。

制造反氢原子需要将反质子和正电子结合起来。大型质子加速器可以将质子加速到很高的能量，然后将质子撞击到靶上，在撞击的产物中就能够找到反质子。此时反质子的速度非常大，不容易和正电子结合成反氢原子，还需要将反质子减速到速度几乎为零。被减速的质子再和正电子结合在一起就形成了反氢原子。更复杂的原子因为涉及到反中子，还未见有消息制造出来。

说起来就是这么简单，真正操作起来却是异常的困难。用反物质为人类提供能量也是遥不可及的事情，人类目前也不用担心会有恐怖分子用反物质制造爆炸事件。

既然正反物质放到一起会湮灭，放出能量，那么在咱们这个正物质的世界如何保存反物质

物质与它的反物质接触时，会发生完全的物质与能量的转换，产生如光子以及伽马射线等能量形式，这个过程称之为湮灭。湮灭质能转换效率理论上可以达到百分之百，对比一下人类目前掌握的一些质能转换技巧，例如核电站的核裂变产生的能量，其质能转化率约为0.13%，别小看和不足百分之一的转换率，其产生的核电或者核武器的威力已经十分惊人了。人类目前还在研究的核聚变其质能转换率可以达到0.7%，这已经是核聚变的5倍多了，一旦掌握可控核聚变，人类的能源问题就解决了。

但那些科学家的理想是可以造出足够的反物质，以正反物质湮灭的方式来获取能源，这算是利用能源的最高境界了，根据质能转换公式E=mc^2，1克质量的物质如果全部转化为能量，放出的能量相当于2500万度的电能。

如此高效的能源却面临两大难题，一个是制造，另一个就是如何存储制造出来的反物质。目前物理学家主要是用大型粒子加速器来制造反物质，特别是位于欧洲的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider），其中重达5600吨的LHC底夸克探测器（LHCb）更是主要用于研反物质研究。

但用这样的方法制造反物质的话，特点就是——量少价高，到目前为止，人类手中的反物质量都不够让你冲开一袋康师傅香辣牛肉面，但以现在的技术，制造一克反氢原子的成本高达62.5万亿美元（约合人民币420万亿元），随着技术的改进，未来这个成本可能会降到50亿美元（约合人民币340亿元）每克。这也没办法，造反物质难，留反物质更难。

既然反物质不能喝物质接触，人们自然首先想到了用磁场去约束，那些科学家也是这么做的，只要是带电的反物质粒子，像正电子或者反质子，它们都可以通过一种叫做“彭宁陷阱（penning trap）”的装置存储起来。

彭宁陷阱就是一个小型的粒子加速器，用一个强大均匀轴向磁场来限制粒子的径向运动，而四极电场则限制粒子的轴向运动，这样，反物质粒子就会沿着这个环形管道不停地做旋转运动，当然，这套装置内部是高度真空，以避免反物质粒子碰到装置的内壁而发生湮灭。 　　

但是，彭宁也有一个缺陷，就是无法限制中性的反物质粒子，因为中性粒子没有电荷，无法用磁场去限制。所以那些爱搞事情的科学家又造出了另外一种陷阱——“约费陷阱”，在其内部可以创造一种沿任意方向磁场都会增大的空间，这样，中性粒子会被困在约费陷阱中磁场最弱的那一点，这就好像把玻璃球放到碗里，只能在碗的底部滚来滚去一样。

通过这些物理学家的努力，已经成功的把反氢原子的限制性存储时间从零点几秒延长到1000秒，比一节NBA比赛的时间都要长，这无疑对更深入的研究反物质粒子提供了更好的条件。

虽然目前的技术还无法造出大量的反物质并使之发挥作用，然而，一些科学家已经开始进行反物质发动机的仿真研究了。这在之前只能存在于科幻小说或科幻电影中的景象似乎不再是海市蜃楼了，在科幻电影《阿凡达》中，人类为了能够实现恒星际旅行，建造了一艘长近约1.6千米的太空飞船，这艘飞船使用的就是反物质聚合发动机，这使得飞船的最高航行速度达到了光速的十分之七，约每小时11亿公里。也许，在可以预见的未来，这种景象真的可能实现。

中子有反中子吗

当然有！

首先要明确的是，所谓粒子和反粒子，并不仅仅指的是它们质量相同、电荷相反。对于负电子和正电子来说，确实如此。对于中子来说，它不带电荷，或者说整体电荷为零，那么是否意味着反中子电荷也是零，那中子和反中子就没有区别了吗？

当然不是这么简单！

对于微观粒子来说，质量、电荷只是其中两个性质，描述一个微观量子，还需要其他物理量，比如自旋、磁矩、同位旋、颜色、味道等。举例来说，中子虽然不带电，但却带有一定的磁矩，或者说自旋不为零/整数。夸克具有不同的颜色和味道等，此处颜色和味道并不是传统宏观意义上的，只是量子物理中一个物理量定义而已。所以，粒子和反粒子之间，除了电荷相反之外，还可以磁矩相反。

中子磁矩大小为1.91玻尔磁子，自旋为1/2。

反中子呢，其磁矩就是 -1.91玻尔磁子，意味着磁矩和自旋方向是相反的。

正电子和负电子相遇会湮灭成一对光子。中子和反中子相遇呢，则会湮灭成大能量的介子。两个过程是比较类似的。

同样的，也存在反质子，如果一个正电子和一个反质子组成一个稳定的原子，那就是反氢原子。以此类推，就可能存在相应的反物质。但是目前宏观的反物质尚未被实验观测到。

1955年，美国加州大学伯克利分校劳伦斯加速器实验室测量到了60个质子。1956年，同样在这个实验室，四位美国科学家发现了反中子。

如何理解宇宙中的暗物质、暗能量、反物质，它们之间的逻辑关系是什么

首先感谢邀请。我们的宇宙诞生于138亿年前的大爆炸，如果没有那场大爆炸，今天世界将不复存在，你我也不会出现。随着科学技术不断的飞速发展，我们人类在太空探索的道路上走的是越来越远，科技改变生活，我们的生活方式正在发生翻天覆地的变化。随着我们人对宇宙的认知，才发现，我们所知道的也仅仅只是丁点皮毛而已。我们的宇宙中存在的三种非常神秘的能量，他们分别为暗物质，暗能量以及反物质。那么它们之间是否存在着联系？

首先我们一个一个来分析，你就会发现，不论是暗物质还是暗能量以及反物质，它们都是宇宙中极其珍贵和稀有的东西，虽然我们的宇宙96%的物质是看不见的，但是，直到今天，我们人类也没有发现这96%究竟是干什么的，我们只能通过大概的模拟分析，来确定这些物质的特性。

美国著名的天文学家埃德温哈勃发现了宇宙正在加速的膨胀，距离我们越远，其星系产生的红衣就越大，反之则会产生蓝移。这对于物理学家来说却是一个好消息，我们知道宇宙发生于大爆炸，既然是138亿年前的事情了，为何直到现在仍然在持续，并且宇宙中存在着那么多的星系，这些星系产生的重力足以抵消大爆炸产生的余威。而现实却残忍的告诉我们宇宙在加速的膨胀，只有一种可能，那就是宇宙被一种什么的能量加持着，它就是暗能量。

我们知道宇宙在加速的膨胀，并且随着暗能量的占比越来越高，它的速度也会越来越快，如果宇宙在早期的时候，暗能量就占据了上风，那么物质肯定就无法诞生。只有一种可能，那就是有一种神秘的能量将物质凝聚在了一起，并且和暗能量相互的抗衡，科学家将这种物质称之为暗物质。千万不要小看它，我们的银河系90%的总质量是暗物质，你很难想象4100个恒星加上七中心的黑洞，加上无数个天体所占据，银河系的总质量只有10%。

通过使用超级计算机对宇宙大爆炸进行模拟，以及加上强子对撞机的数据，科学家揭示了早期宇宙的起源之谜，宇宙在暴涨之后发生了冷却并且急速的收缩，在这个过程中，形成了基本的物质。这就是物质的起源之谜，至于剩下的反物质，它更是非常的神奇。

如果说暗物质和暗能量占据了宇宙的96%，那么反物质占据的只有剩余5%物质的100亿分之一，可想而知，它究竟少得到何种程度，反物质目前已经被科学家证实，反物质和物质会产生相反的特性，这使得物质和反物质相遇时，会释放出巨大的能量，科学家们将这种现象，称为湮灭。

无论是暗物质还是暗能量以及反物质，这些都是目前人类科学无法探索的，但是，如果没有这些神秘的东西的出现，我们的宇宙或许就不会诞生，存在即道理，每个物质都拥有着它自身的用途。