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如果反物质与物质性质相同,为什么说见了反物质人会灰飞湮灭?

物理定律相同,但是物质相反!

在地球上我们所看见的物质都为物质(正物质),它们由原子、电子构成。其中原子中的电子带负电,质子带正电。而反物质则相反,其质子带负电,电子带正电。

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不仅仅是地球,整个宇宙中所有物质都是由物质构成的,所以宇宙的任何一个角落和地球具有相同的物理特性和化学特性。但如果传统的物质是反物质构成的将会如何呢?

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根据面团的具体成分和含水量,面包面团有可能具有粘性。如果孩子在揉面团,而面团本身是反物质而不是正常物质,那么“粘性”的会如何?。

当我们谈论物质的性质时,比如粘性、弹性、有弹性或弯曲性,这些都是宏观的特性。在科学上,你可以在不改变物质性质的情况下测量它们的性质。当你触摸黏糊糊的面团、橡皮筋或弯曲的树枝时,即使你触摸它们,改变它们的物质性质,它们也会保持粘性、有弹性或弯曲。

宏观下的微观世界

如果要了解是什么导致了这些物理特性,就要深入到微观世界,才能了解决定物质性质底层逻辑是什么。在微观尺度下,一切都是由原子构成的。这些原子结合在一起形成分子,而分子又通过原子间的相互作用力结合在一起,于是才有了大型的物质。

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水分子的动态相互作用:单个的H2O分子是v形的,水之所以具有v形的特性是因为它的分子结构和这些水分子中电子的行为,反水是什么样的?

当某物摸起来很粘时,是因为你接触的物质中的电子与你指尖中的电子以一种特殊的方式相互作用,从而产生了我们所说的粘性。所有与这种“粘性”感觉有关的东西,都是基于这些原子中的电子是结合的方式:共价键、离子键、混合物、悬浮液和溶液,以及它们和其他物质之间的氢键(水分子中的氢键)。

这种微观世界中粒子的相互作用并非只会产生“粘性”,它可以给你带来各种各样的交互,使你和物质间可以有“交流”。比如:指尖替换成眼睛,物质可以根据自身颜色的特性释放出光子和反射光子与你的眼睛进行交互,你就可以看到物质的颜色。而释放光子,释放什么光子在微观层面是原子中电子的跃迁与电子跃迁的能级差所决定的,于是它决定了物质性质和相互作用。

反物质的微观世界

在现实生活中,我们可以随意拿现有物质过来试验观察,但我们却没有大量的稳定的反物质。如果有的话,我们就可以利用反原子构建成反分子和反宏观物体,并测试它是如何与其他反物质相互作用的。对于研究反物质的物理学家和材料科学家来说,这仍然是一个梦想。事实上,很长一段时间,我们所做的一切都是从理论与计算中获得。

反物质的概念已经有90年的历史了,最初只是纯理论的。1927年12月,英国物理学家保罗·狄拉克提出了电子的相对论方程,即狄拉克方程。有趣的是,等式中发现了负能量。这显示出一个问题,当电子趋向于朝着最低可能的能级跃迁时,会出现负无限大的能量,这是是毫无意义的。

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为了要弥补这条件,狄拉克提出真空状态中是充满了负能量电子的“海”,称作狄拉克之海。任何真实的电子因此会填补这些海中具有正能量的部分。狄拉克发现海中的这些“洞”则具有正电荷。起初他认为这是质子,但赫尔曼·外尔指出这些洞应该是具有和电子相同的质量。

1932年由美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在,这是我们发现的第一个反物质。它有一个奇怪的属性:自旋翻转了,电荷翻转了,其他量子数也翻转了。于是物理学家发现了反物质的存在,物理学出现了一个全新的世界。

物理学家发现正电子会与遇到的任何电子一起湮灭,变成纯能量(光子)。这个现在被称为正电子的反粒子。90多年后的今天,我们知道每一个物质粒子都有一个与之对应的反粒子。

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现在所有的模型都已经被直接探测到,最近的一次,希格斯玻色子,在十多年前,于LHC实验室被发现。所有这些粒子都可以在大型强子对撞机的能量下产生,粒子的质量决定了基本的常数,这些常数让我们可以完整地描述它们。这些粒子和反粒子可以用标准模型下的量子场理论的物理学来很好地描述。

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我们想要创造反物质,就必须先创造反粒子。我们可以通过爱因斯坦的E = mc?计算出能量,来制造出成对的正反粒子,而这其中最大的难题是,这些粒子总是以接近光速的速度运动,想要捕捉它们谈何容易,并且它们出现之后很容易在由物质构成中的世界遇到(正)粒子,从而衰变或湮灭,更别提要把它们组装起来制造出反原子,反分子,甚至是反人类。

反物质制造

不过最近,物理学家已经在尝试通过实验来测试反粒子是如何结合在一起的。在欧洲核子研究组织,欧洲核研究组织和大型强子对撞机的所在地,整个大型综合体致力于反物质的创建和研究。它被称为反物质工厂,其专业不仅涉及产生低能反质子和低能正电子,而且还涉及将它们结合在一起以形成反原子。

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上图:欧洲核子研究中心(CERN)。在这里,带电荷的反物质粒子聚集在一起,根据与反质子结合的正电子的数量,可以形成正离子、中性原子或负离子。如果我们能够成功地捕获和储存反物质,它将是一个100%有效的燃料来源。我们还开始测量反物质的电磁特性,这与已经测量到的正常物质的电磁特性是相同的。

反物质是否和普通物质一样具有粘性,最终的结论可能就会从这里产生。如果反物质遵循与正常物质相同的类似规则,那么反原子应该表现出与正常原子相同的某些特性。它们应该有相同的能级,相同的(反)原子跃迁,拥有相同的吸收能力和具有相同的发射能量,并且应该结合在一起形成反分子,就像原子形成正常分子一样。

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氢原子中,一个电子绕着一个质子转。反氢原子中,一个正电子(反电子)围绕一个反质子旋转。正电子和反质子分别是电子和质子的反物质的对应物。

2016年,CERN进行了科学家首次测量了反氢原子的原子光谱。第二年,他们能够测量反原子的超精细结构的能级,并再次得到了与正常物质的能级非常吻合的结果(误差在0.04%以内)。

现在已经进行了令人难以置信的精确测量,每一次的结果都是一样的:反原子中的正电子具有与正常原子中的电子,具有相同的量子特性,包括相同的跃迁和相同的能级。更重的反原子核也被创造出来了,每一次我们都得到了同样的结果。于是我们终于可以说反原子具有与正常原子相同的电磁特性。

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在2020年2月,关于反氢原子量子跃迁的实验惊人细节被揭示出来。在每一个可测量的点上,光谱都与在正常物质中所观察到的相似。

反物质第一次精确测试到现在已经过去了好几年,现在我们已经可以构建大量的反物质“积木”:

反质子

反中子

反质子和反中子结合在一起形成的较重的原子核

正电子

结合在一起,表现出与正常物质在任何可测量的方面都相同的量子跃迁。

不同点

在我们所知道的物理定律下,要说有什么正反物质可能是不同的,那可能就是弱力下的放射性衰变。弱核相互作用是唯一允许打破物质和反物质之间某些对称性的相互作用,因为在物质和反物质之间的有些过程会略有不同。例如,两个质子在太阳中融合时,产生氘的几率是1 / 1028。对于反太阳中的反质子和反氘,这个值可能不相同。

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当两个质子在太阳中相遇时,它们的波函数会重叠,从而产生氦-2:一个双质子。它几乎总是简单地分裂成两个质子,但在非常罕见的情况下,由于量子隧穿和弱相互作用,会产生一个稳定的氘(氢-2)。而在反物质对应的系统中反应产生的分支,以及产生的氘的速率可能会不相同。

如果地球上一切都是反物质构成(包括人类),那么我们所知道的一切物质的物理和化学性质将保持不变。一切物质的弹性、弹性、可弯曲性、颜色或任何其他你可以测量的传统属性也是如此。

结论

反物质,就我们的实验和观察所知,与其他反物质相互作用的方式与正常物质与其他正常物质相互作用的方式完全相同。如果正常物质的某种构型是粘性的,那么与之对应的反物质也会具有同样的粘性。只是,如果你想要试着触摸它来验证,确保你也是反物质。否则,结果将是灰飞“湮灭”。

如果反物质与物质性质相同,为什么说见了反物质人会灰飞湮灭?

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