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技術(shù)前沿

科學(xué)家用激光照射真空,冒出一種神奇粒子,比氫彈威力還大

激光制造網(wǎng) 來源:網(wǎng)絡(luò)2022-08-04 我要評(píng)論(0 )   

真空并不空,如果我們能通過某種手段把空間中的所有物質(zhì),輻射和引力波全都移除掉,仍會(huì)發(fā)現(xiàn)空間中有少量固有能量,這些能量怎樣都是剔除不掉的,這些能量就是反物質(zhì)!...

真空并不空,如果我們能通過某種手段把空間中的所有物質(zhì),輻射和引力波全都移除掉,仍會(huì)發(fā)現(xiàn)空間中有少量固有能量,這些能量怎樣都是剔除不掉的,這些能量就是反物質(zhì)!

到目前為止,由真空延伸出來的前沿物理學(xué)有反物質(zhì),霍金輻射,宇宙起源之初正反物質(zhì)不對(duì)稱之謎。反物質(zhì)這東西的能量轉(zhuǎn)化效率是100%,即便是一克的反物質(zhì),釋放的能量也是十分巨大的,因?yàn)檫@一克反物質(zhì)釋放的能量是以質(zhì)能方程E=mc2的形式100%釋放出來的,能量能不大嗎?科學(xué)家估計(jì),一克反物質(zhì)的價(jià)值大約在62.5萬億美元!

那啥是反物質(zhì)呢?反物質(zhì)和真空有啥關(guān)系?

其實(shí)反物質(zhì)的概念最早可以追溯到1927年。我們知道原子核外不是一直都有一群電子嗎?這些電子的運(yùn)動(dòng)速度很快,當(dāng)速度達(dá)到一定界限,相對(duì)論效應(yīng)就很顯著,所以當(dāng)時(shí)物理學(xué)家狄拉克就用相對(duì)論推出了電子在高速運(yùn)動(dòng)下的相對(duì)論方程。

電子的相對(duì)論方程是個(gè)等式,這個(gè)等式在計(jì)算的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一個(gè)除了正能量之外的負(fù)能量值。那時(shí)候還沒有發(fā)現(xiàn)任何帶有負(fù)能量的粒子。但也不能說這個(gè)等式是錯(cuò)的,所以狄拉克為了彌補(bǔ)電子的相對(duì)論方程中出現(xiàn)負(fù)能量值的結(jié)果,就提出來了真空中充滿了一種帶有負(fù)能量的電子“?!?,這就是狄拉克之海。

一開始,狄拉克認(rèn)為這種帶負(fù)能量的電子應(yīng)該是質(zhì)子,因?yàn)橘|(zhì)子帶正電,可以和電子抵消。后來計(jì)算發(fā)現(xiàn),帶負(fù)能量的這些電子質(zhì)量應(yīng)該是和電子一樣大的,但是質(zhì)子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子。況且質(zhì)子的能量是正能量,所以質(zhì)子不可能是帶負(fù)能量的電子。直到1932年,美國(guó)物理學(xué)家卡爾?安德森在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了這種帶負(fù)能量的電子。這種帶負(fù)能量的電子一旦和電子相遇就會(huì)100%湮滅

理論上來說,這種電子應(yīng)該叫反電子。但是之前狄拉克等科學(xué)家就以“正電子”的名字預(yù)測(cè)了其性質(zhì),所以即便發(fā)現(xiàn)了這種反電子,后面也常用正電子的名字代替。但后面新發(fā)現(xiàn)的反粒子不會(huì)再單獨(dú)給它起名字了,統(tǒng)一稱之為反某某粒子。比如反質(zhì)子,反中子等等。反粒子是自然界普遍存在的一種粒子,不要老是在評(píng)論區(qū)問我為什么會(huì)存在反粒子,我也不知道為什么會(huì)存在這種粒子,因?yàn)檫@就是自然現(xiàn)象。理論上預(yù)測(cè),每一種粒子都有自己的反粒子,就和陰陽一樣,有正就有反。反粒子遇見與自己相匹配的正粒子就會(huì)完全湮滅。湮滅的能量會(huì)以質(zhì)能方程的形成完全釋放出來。你看核聚變和核裂變會(huì)釋放大量能量,其實(shí)也不過是虧損了很小一部分質(zhì)量而已。你看人家反物質(zhì)和正物質(zhì)相遇,質(zhì)量會(huì)100%釋放,那產(chǎn)生的能量豈不吊打原子彈和氫彈。反質(zhì)子,反中子,反電子這些反粒子也可以像質(zhì)子,中子,電子一樣構(gòu)成反原子,由反原子構(gòu)成的宏觀形態(tài)就是反物質(zhì)。

那怎么制造反物質(zhì)呢?其實(shí)完全不用刻意制造反物質(zhì),因?yàn)橛钪嬷械教幎加蟹次镔|(zhì),你眼前的空間,身體內(nèi)就不斷有反粒子出現(xiàn)。因?yàn)樵诳諢o一物的空間中,也會(huì)冒出來一對(duì)正反粒子對(duì)。而且正反粒子會(huì)隨機(jī),且毫無征兆地從真空中突然冒出。一對(duì)正反粒子會(huì)憑空從真空中誕生,這時(shí)候正粒子帶的是正能量,反粒子帶的是負(fù)能量。所以當(dāng)正反粒子憑空出現(xiàn)的時(shí)候,能量守恒定律在微觀尺度上就暫時(shí)被“打破”了,因?yàn)檫@些粒子的能量是暫時(shí)向真空借的。有借就有還,所以這些正反粒子很快就會(huì)湮滅,然后釋放能量又歸還給了真空,能量守恒定律就又成立了。從宏觀尺度來看,宇宙空間的每個(gè)角落都會(huì)不斷憑空出現(xiàn)正反粒子對(duì),并且很快又相互湮滅并且釋放能量。宇宙中的任何空間都會(huì)有源源不斷的正反粒子蹦出來,又相互湮滅掉,就和海浪一樣熱鬧。

所以科學(xué)家就想著,你正反粒子對(duì)不是會(huì)源源不斷從真空中蹦出來嗎?那好,我現(xiàn)在趁你剛蹦出的的那一刻,趕緊用高能激光照射,把正反粒子的距離給拉遠(yuǎn),這時(shí)候你倆就不能湮滅了,所以真空中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)帶負(fù)電的電子,和帶正電的正電子(反電子)。這就是科學(xué)家撕破真空的設(shè)想,用高能激光照射真空,迫使照射點(diǎn)附近的正反粒子對(duì)還來不及湮滅就被拉開了,于是就會(huì)看到在激光的照射下,真空中會(huì)平白無故地冒出電子,所以在某種程度上來說,真空就被撕破了。

好了,要是剛才講得這些你聽懂了,那么霍金輻射是怎么回事,你也就會(huì)搞懂了。前面已經(jīng)說過了,正反粒子在任何空間都會(huì)冒出來,那么在黑洞視界邊緣的空間也不例外。人家黑洞多強(qiáng)的,光都能給你全吸進(jìn)去了,更何況你反粒子呢。正反粒子也會(huì)在黑洞視界邊緣不斷冒出,如果一個(gè)反粒子剛好不慎落入黑洞視界內(nèi),而另一個(gè)留在黑洞視界外。

那么落入黑洞的反粒子就再也出不來了。真空這時(shí)候內(nèi)心肯定會(huì)想:你倆的能量是從我這里借來的,你倆趕緊給我湮滅,再把能量還給我。但是正反粒子對(duì)中的一個(gè)粒子借了人家真空的能量進(jìn)入黑洞了,黑洞外的粒子找不到自己反粒子來湮滅,所以借真空的能量就歸還不了了。留在黑洞視界外的粒子的能量就憑空留住了。所以這時(shí)候來看,黑洞視界外就會(huì)產(chǎn)生一種釋放實(shí)粒子的輻射,這種輻射現(xiàn)象是1974年最早由霍金提出的,所以也叫霍金輻射。

留在黑洞視界外的粒子攜帶的能量是額外從真空那借來的,現(xiàn)在能量還不回去了,這好像違背了能量守恒定律。從能量守恒定律依舊有效的角度出發(fā),科學(xué)家就預(yù)測(cè),落入黑洞的粒子必然攜帶了負(fù)能量,這種帶有負(fù)能量的粒子會(huì)與黑洞內(nèi)的正物質(zhì)相遇湮滅,來給真空還債。

所以黑洞內(nèi)部的能量會(huì)慢慢變少,黑洞到時(shí)候就會(huì)蒸發(fā)掉。但是大質(zhì)量黑洞又在不斷吞噬天體,黑洞內(nèi)部就又有了源源不斷的能量攝入,所以大質(zhì)量黑洞的能量一時(shí)半會(huì)還不會(huì)被負(fù)能量粒子抵消完。

但是小質(zhì)量黑洞吞噬天體的能力有限,沒有持續(xù)地外在能量的攝入,小質(zhì)量黑洞的能量就會(huì)比較快地被負(fù)能量粒子抵消完,直到蒸發(fā)消失??茖W(xué)家計(jì)算,質(zhì)量和月球相近的黑洞,也就是質(zhì)量為4.5×10∧22kg(讀作4.5乘以10的22次方千克)的黑洞,吸收外在能量的速度和內(nèi)部負(fù)能量粒子抵消能量的速度相等。所以低于這一質(zhì)量的黑洞,只會(huì)不斷蒸發(fā),直到徹底消失。之前科學(xué)家還用對(duì)撞機(jī)制造出來了微型黑洞,但是由于質(zhì)量太小,這種黑洞幾乎還來不及吸收外在的能量,就很快被負(fù)能量粒子抵消掉了,所以人造黑洞在地球上存在的時(shí)間只能是轉(zhuǎn)瞬即逝,更不可能吞噬地球。

正反物質(zhì)不僅可以預(yù)測(cè)霍金輻射,還可以解釋宇宙為什么會(huì)發(fā)生大爆炸。按照物理學(xué)家之前預(yù)想,宇宙本來就不存在,因?yàn)橛钪嬲Q生之前,正反物質(zhì)數(shù)量一樣多,這就是正反物質(zhì)對(duì)稱機(jī)制,所以正反物質(zhì)會(huì)完全湮滅,以至于什么都沒有。但是在138.2億年前的某一刻,宇宙中有一種未知的機(jī)制觸發(fā)了正反物質(zhì)對(duì)稱機(jī)制。

正—反物質(zhì)數(shù)量出現(xiàn)了失衡,正物質(zhì)的數(shù)量大于反物質(zhì),所以額外多出的正物質(zhì)就開始迸發(fā)出來了,導(dǎo)致宇宙發(fā)生大爆炸,大爆炸一開始,大部分正物質(zhì)和反物質(zhì)就已經(jīng)相互湮滅掉了,但是還是殘留了部分正物質(zhì),這些正物質(zhì)才組成了我們現(xiàn)在宇宙的萬物。那宇宙誕生之初消失的反物質(zhì)去哪里了?目前物理學(xué)家還不知道,這依舊是現(xiàn)代物理學(xué)未解之謎,如果你能提出新的理論,解釋反物質(zhì)消失之謎,那第二年的物理學(xué)諾獎(jiǎng)非你莫屬。

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