天然反物质-正电子

时间:2023-11-25 03:39:03

虽然我们附近不存在成型的反物质——哪怕是极小的一块也没有,但是我们还是可以通过一些自然的工序来制造出最简单的反物质——正电子——这种电子在反世界里的镜像。电子是最轻的带电粒子,在所有的物质原子中都存在,因此,正电子这种电子的反物质配对也极有可能是反世界中的反原子内的基本组分。在我们的世界里,很多元素都具有放射性,它们的原子会自发地放射出能量,其本身的组分会重排形成更稳定的结构。一些元素的原子核被称为“正电子源”。 就像狗体内并不存在犬吠一样,这些原子内部并没有预存正电子,而是释放出来的能量创造出了正电子。

正电子会从原子内飞出,当遇到电子后它就会消失。由于我们的世界由原子构成,而原子都含有电子,所以正电子会很快撞上电子,然后这两个平衡的冤家就会消失,一闪成γ射线——一种远超出我们眼睛可见光谱范围的光。但是,特殊的仪器可以探测到这种射线,它被应用并制造成了医学PET扫描仪——正电子发射断层成像(PET)。 反物质具有毁灭性,但是在受控的情况下它也可以拯救生命。

在更大的尺度上,在太阳内部也在不停地制造正电子。今天照射在我们身上的阳光,一部分就来自太阳内部100000年前正电子,只是这些正电子产生后就立即湮灭了而已。

天然反物质-正电子

太阳大部分由氢这种最简单的元素构成。在太阳中心,温度超过1000万度,氢原子被撕裂成了各种混乱组成的碎片,电子和质子独立随机地游动。质子间会偶然相撞,通过一系列的程序相互连接起来,最终形成氦的雏形——仅次于氢的最简单的元素。氦是这个聚变反应的残留物,其质量小于构成它的质子质量之和。这些损失的质量变成了能量,此时根据E=mc 2 ,可以计算出最终释放出来形成阳光的能量。那么其中正电子发挥了哪些作用呢?一个氦原子核包含两个质子和两个中子。在适当的条件下,一个质子可以转化成一个中子并释放出能量,其中一些能量就会物质化成一个正电子,这与我们的PET医学设备中的正电子源内发生的情况类似。

太阳中心存在很多电子,因此处于中心的正电子很快就会毁灭,转化成γ射线。这些射线试图以光速迅速发出,但是会被带电粒子云所干扰,比如,沸腾的电子和质子云团。在发出的道路上,γ射线与这些云团反复碰撞,被电子重复吸收,然后以更低的能量发出,最终这些γ射线需要数十万年才能到达太阳表面——这个离中心数10万公里的地方。该过程消耗了射线很多能量,它们发生衰变,能级的跃迁使其性质转变为X射线,又从X射线变成了紫外线,并最终变成了五颜六色的可见光进入我们的眼睛。所以白昼的亮光来源于太阳中心产生的反物质以及其部分湮灭的结果。

这不仅仅是历史上发生的,当你看到这句话时,太阳内部的聚变过程正在制造正电子,而你还没读完这句话,这些反物质就已经湮灭了。而随之产生的γ射线已经开始向外艰苦地前进了,最终会在距今天1000个世纪之后到达地球,照射万物。

正如这里所说,作为反物质的一种,正电子并不像很多人想的那么罕见。它应用在了医学领域、各种技术以及科学实验之中。在自然界的速度限制条件下,以光速为标准,它已经可以被加速到50米每小时。通过电磁场,人们已经可以将它聚焦成束,然后用来对撞摧毁另一束物质,瞬间产生的能量可以在一个小范围内再造一个时刻来描述大爆炸初期宇宙所经历的情景。因此,反物质有助于我们研究万物从何而来这个巨大的问题。

一个电子发生湮灭释放出来的能量,相当于10亿个原子发生化学爆炸时产生的能量。如果湮灭1克反物质(约1/25盎司),你获得的能量相当于点燃24架航天飞机内部承载的所有燃料。正电子能量转化可以成为一种革命性能源,这将极大吸引战争发动者,因为只用半克武器就能产生20000吨的爆炸当量,与广岛原子弹的规模相当。

如果反物质能够被制造出来并保存到需要的时候,那么它确实有潜力成为能源造福于太空工业,或者甚至作为摧毁军队的武器。而且我也相信,很多机构正在努力研究这些可能性。将会谈及反物质的故事,即:它是什么,它是如何被发现的,我们如何制造它,它会带来哪些机遇又会引起哪些威胁。也会评估反物质作为长途太空旅行燃料以及武器的诸多现实的可能性。