反物质是不是由反原子组成的?

反物质是不是由反原子组成的?
反物质接触物质会引起超级大爆炸吗?

所有的粒子都有反粒子,反粒子与粒子虽然在质量等方面相同,但电荷等却截然相反.由反粒子组成的物质就是反物质,反氢原子是最简单的反物质.现有的物理学理论认为,物质和反物质具有相同的物理特性,宇宙诞生时物质与反物质的产生应该有相同的概率.然而,这些理论无法解释为什么现今的宇宙主要由物质组成.一些科学家推测,如果能发现物质与反物质在特性上的不同,也许能够为此提供答案.
　　反物质至今都是物理学领域的一大谜团.我们周围环境中的物质是正物质,它由原子组成,原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成.与此相反,由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质.
　　【什么是反物质?】
　　顾名思义,反物质就是普通物质的反状态.物质由分子和原子组成,原子由带负电的电子和带正电的原子核组成,如果带正电的电子和带负电的原子核组成原子就是反原子,由反原子就可组成反物质.
　　【研究历程】
　　反物质研究始于20世纪40年代后期,但进展极为缓慢.1995年钱姆伯林（Chamberbin）用加速器将质子加速到6Gev去轰击铜靶,生成物∏ˉ（介子）与质子比例为50000∶1.为进一步探索反物质之谜,科学家在实践上采取了两种途径,一是在自然界中寻找反物质,二是在实验室中制造反物质.
　　1997年4月,美国海军研究实验室、西北大学和加州大学伯克利分校等五个著名研究机构的天文学家宣布,通过观测到在银河系上方约3500光年处高于可见光强25万倍的伽马射线间接证明了反物质源的存在.由于受大气干扰,地面上很难“捕捉”到反物质,因此科学家们把目光投向太空.为在太空寻找到反物质,1998年6月,美国“发现”号航天飞机带着由中国科学家制造的当代最先进的粒子物理传感仪：阿尔法磁碰议发射升空.2002年,它被送上国际空间站,进行更进一步的数据采集.
　　实验室制造反物质进展较快,1995年欧洲核子研究中心（The European Organization for Nuclear Research ,简称CERN）的科学家们利用加速器将速度极高的反质子射流射向氚原子核产生正电子,正电子与反质子结合形成一个反氢原子,在15小时的实验中,共观测到9个反氢原子.但由于反氢原子处于正物质包围中,经历一亿分之三秒（3×10-8秒）后正、反物质发生湮灭.1996年美国费米国立加速器实验室成功制造了7个反氢原子.2000年9月18日欧洲核子研究中心在世界9个研究所,39名科学家的通力合作下宣布已成功制造出约5万个低能态的反氢原子,这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质,是反物质研究的“一个重要里程碑”.
　　反物质原子合成2000年8月10日,欧洲核子研究中心宣布投入使用“反质子减速器”,科学家们从而更容易地制造出大量反物质原子.反质子减速器是一个圆形混凝土盒,周长188m,耗资1150万美元.它利用磁场将高能反质子和正电子冷却、减速和聚积,最终在电磁场束缚下形成大量反氢原子,这些“冷”反氢原子温度仅比绝对零度略高几度,为以后研究其特性提供可能.
　　由上述我们可以看出,要制造出大量反氢原子并进行研究必须解决三个最重要的问题.
　　第一个问题：反质子的电荷、磁矩与质子反号,质量、寿命、自旋与质子相同,记为P.现在科学家们一般用速度接近光速的核子轰击靶核生成反质子.正电子由速度极高的反质子轰击氚核而产生,其反应截面相对较高,由此,正电子问题可转化为上面反质子的制备问题.
　　第二个问题：反质子和正电子的“冷却”.在正物质占绝对优势条件下,只有将反质子和正电子的速度降下来,才能获得较大的反应截面,在其发生湮灭前形成反氢原子.
　　反质子减速器通过与粒子流平行的强大磁场将粒子流束缚在一个较小区域,并用反向电场对反质子进行减速、探测、分离.正电子也可用这种方法进行“冷却”.
　　第三个问题：欧洲核子研究中心的科学家杰拉尔德.加夫列尔瑟领导的一个科研小组将反质子和正电子汇合在被称为“粒子陷阱”的结构中.由于等离子体可以保存在个有适当电磁场结构的“陷阱”中,并在德拜屏蔽长度λd（0.024－0.0024mm）限制下处于稳定状态.只不过要想存储更多的反物质,还要对“陷阱”作更进一步的研究.
　　为什么人们要合成反氢原子而不是直接利用反质子进行正反物质湮灭呢?因为原子更趋于稳定,有利于更深入地研究、存储及利用.反氢原子是构成所有反物质的基本粒子,在获得能量方面人们不用去合成更复杂的反物质,只要能够大批量地生产反氢原子,使其与氢原子湮灭则将获得无究的能量.目前,人类还不能得到反物质能量节余,其本质原因是只实现了能量到反物质的转变,如果实现了物质到反物质的转变,人类将会得到副余能量.我们由此想到了物质与反物质的差别即反物质结构研究,从而最终实现物质到反物质之间的转变.
　　反物质原子内部结构2000年10月29日,在欧洲核子研究中心,由哈佛大学加布里埃尔斯教授领导的研究小组宣布首次成功研究了反物质内部结构和物理特性.他们通过反质子减速器制备出“冷”反氢原子,并用强电场对其进行“撒裂”,通过测量拆散反氢原子所需电场的大小就可以知道反氢原子内部反质子和正电之间结合的紧密程度,从而首见“瞥见”反氢原子内部状态.
　　科学家们一直认为在宇宙之初形成了等量的正物质和反物质,但今天我们的世界由正物质构成,这说明正、反物质在内部结构和物理特性上存在差异,如果能找到这种差异则对于我们合成反物质和解释宇宙发展过程有着极为重大的作用.
　　那么正、反物质原子内部结构上是否真的一样呢?让我们先了解一下基本粒子.
　　轻、重子是费密子,费密子和反费密子除电荷不同外,固有宇称也不同,故分开算.正、反介子电荷不同,但宇称相同,故只算一种. 1956年Hofstadter发现质子、中子并不是物质世界的最基本粒子.质子电荷半径约为0.8fm,中子电荷半径约为0.34fm.从而引出了强子谱的研究,得出强子由夸克组成的假定.电子和核子的深度非弹散射（DIS）最终证实了核子内存在夸克.科学家们认为物质世界由夸克和轻子组成,四种相互作用则通过交换玻色子来完成.
　　科学家们用味来表征夸克特性,并通过夸克味自由度的发现得出夸克是构成其他粒子的基本概念.
　　距今,人们一共发现了6种夸号.
　　每个夸克所带重子数为1/3,并带一种色,每个夸克共有3色,类似电荷间相互作用,夸克间的相互作用依赖于夸克的色,通过交换胶子（由三代电子正电子对撞机研究发现）夸克可以同带有其他任何色的夸克相互作用.
　　目前夸克相互作用基本理论由量子色动力学（QCD）描述.自旋为1 胶子是玻色子,理论上有9种胶子：色单态和色八重态,但色单态被证明不存在.
　　到目前为止,人们发现所有可观察到的独立强子态都是色单态,对色单态交换强子中的任何两个夸克都是完全反对称的,实验上,人们还未分离出任何色三重态描述的单个夸克,人们认为只能分离观察到处于色单态的强子,观察不到独立的单个夸克的事实也表明夸克和胶子间的相互作用在长程范围内一定是极强的.在实验方面还未分离出任何一个单个夸克,这使得人们认为夸克在强子中的大空间范围内的行为可以描述为囚禁在强子内.[7]科学家们一般认为重子是唯象夸克模型：三夸克束缚态.这种理论已经成功解释了目前所知重子的所有性质.这引起我们对反质子、反中子的夸克模型的思考.若仅从电荷等一些基本参数考虑,可初步认为反质子、反中子由质子、中子所对应夸克的反夸克构过,这显然需要具体的实验数据来证实.在解释过程中我们还应当考虑反夸克间组合形式与夸克间组合形式的差别,不能单认为是反夸克即可.三代夸克间组合遵守一定的内在定律,只要人们找到这种定律.在外加条件下诱导其发生组合形成的转变.（这在现今夸克囚禁理论下被视为不可能,但我们应充满信心.）
　　从物质到反物质的转变前面已经提到,人类现在还只能实现能量到反物质的转变,离物质到反物质的转变还有很长一段距离.大统一理论预言存在质子的衰变：P→∏°+e+,衰变寿命为1032±2年,这使我们得到了物质到反物质转变的肯定答案,并且正在被中微子探测器所证实.[8] 这引起我们对较大核诱导变成反质子、反中子等基本反物质粒子的思考.当然我们应更多地认识到这种衰变所需的完善理论和实验证实,所以还应当从物质基本相互作用、组成形式等方面入手,一步一步走向成功.
　　【当前进展】
　　2010年10月29日 在瑞士日内瓦欧洲核子研究中心工作的一个国际科学家小组,宣布首次成功地对反物质原子的内部结构和物理特性进行了研究.专家们认为,这一成果是朝弄清物质与反物质的差别、进而验证物理学基本理论而迈出的关键一步.
　　该研究小组由美国哈佛大学加布里埃尔斯教授领导,成员有来自德国和加拿大的一些科学家,他们的研究成果将在《物理评论通讯》杂志上发表.
　　在过去几年中,一些科学家成功地制造出了一些反氢原子,但这些反物质原子运动速度太快、或者说过“热”,很容易在与物质的碰撞过程中湮灭,使内部结构等研究无法进行.
　　利用欧洲核子研究中心的“反质子减速器”,加布里埃尔斯教授等一直在致力于制造“冷”反氢原子.他们先后开发出一些技术,能让带负电的反质子和带正电的正电子冷却、减速和积聚,最终在电磁场束缚下形成大量反氢原子,这些“冷”反氢原子温度仅比绝对零度略高几度,为研究其特性提供了可能.
　　加布里埃尔斯解释说,在新的研究中,他们利用电场对反氢原子进行了“撕裂”实验.这一实验类似于“将反氢原子放到一个电池旁边,反质子会因此而被吸引到电池的一极,正电子则将被吸引到电池的另外一端”.当外加电场电压等达到足够高,反氢原子就会被拆散,通过测量拆散反氢原子所需电场的大小,就可以知道反氢原子内部反质子和正电子之间结合的紧密程度.正是通过这种办法,研究人员得以首次“瞥见”反氢原子的内部状态.
　　加布里埃尔斯小组的初步结果显示,反氢原子与氢原子在内部结构上似乎没有什么差别.但加布里埃尔斯表示,在他们的实验中,正电子处于不正常的激发状态,他们的下一步目标是制造出正常的反氢原子,以便于能够和普通的氢原子进行更精确的比较.他认为,如果能证明氢原子和反氢原子在特性上有所不同,那“将是近几十年来物理学上最大的发现”.
　　实际上,早在1995年,欧洲核子研究中心就首次制造出了9个反氢原子.但反氢原子只要与周围环境中的正氢原子相遇就会湮灭,因此实验室中造出来的反氢原子稍纵即逝,科学家们根本无从研究它的真面目.2002年,欧洲核子研究中心的实验进一步表明,反氢原子可以大量制造,但如何让它们存在时间长一点仍是难题.
　　因此,这次实验成果的突破就在于,人工制造的38个反氢原子存在了大约0．17秒.这个时间在普通人看来也许非常短,但对科学家来说,已比先前有了实质性的延长,足够他们进行较为深入的观察和研究.
　　利用磁场作“陷阱”
　　欧洲核子研究中心介绍说,这次之所以能够将反氢原子捕获长达0．17秒,要归功于一种特殊的磁场. 在实验室中,反氢原子是在真空环境里制造出来的,正常情况下瞬间就会与正物质发生湮灭并消失.而这个强大而复杂的磁场会像陷阱一样“拖延时间”,使反氢原子与正物质的接触稍作延缓.
　　实验显示,利用这种磁场,可以将“牵制”反氢原子的时间延长到十分之一秒的量级,这对于观察研究反氢原子来说已经“足够长”.
　　最终,欧洲核子研究中心在制造出的数以千计的反氢原子中,成功地使其中的38个存在了大约0．17秒.
　　科学家称,研究反物质,之所以选择氢原子入手,是因为氢原子只包含一个质子和一个电子,是最简单的原子,因此被看做是物理学领域最佳的研究对象.
　　反物质研究的重要一步
　　尽管这只是在实验室中制造并短暂捕捉到反物质原子,但科学界仍然欢欣鼓舞,认为这是物理学领域的一次突破,距离反物质的“真相”又“近了一步”.
　　刊登这一研究成果的英国《自然》杂志称,成功“捕捉”反氢原子后,通过比较反物质和正物质,科学家们就可以测试粒子物理学“标准模型”中最核心的基本对称理论.欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍伊尔在17日发布的一份新闻公报中说,“这是反物质研究领域的重要的一步.”
　　【应用领域】
　　用作武器 爆炸威力远超核弹
　　用作燃料 6个星期可飞到火星
　　反物质是目前科学领域最大的谜团之一.正物质的原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成.与此相反,由带负电的质子和带正电的电子组成的就是反物质.正物质和反物质相遇后会湮灭,并产生巨大能量.
　　欧洲核子研究中心称,反物质就像是“宇宙的镜子”.按照现行理论,宇宙大爆炸之初,产生了等量的正物质和反物质.但现实情况是,我们的世界由正物质组成——反物质似乎莫名消失了,至少到现在仍然无法直接观测到它的存在.
　　科学家解释,当1克物质和1克它的反物质相撞湮灭时,能放出巨大的能量,科学家按照爱因斯坦提出的质能关系式（E=mc2 ）进行计算,物质和反物质湮灭时所释放的能量是核裂变能的1000倍.因此,科学家称,反物质运用在军事领域,将是远超过核弹的“末日武器”,只需几克就能摧毁地球.
　　此外,在不少科幻小说中,主人公能在较远的宇宙中旅行,就是因为飞船运用了反物质燃料.举个最简单的例子,如果想把人类送上火星,那需要千万吨以上的化学原料,而如果是以反物质为燃料的话,仅需要几十毫克,同时时间也大为缩短,只需要6周的时间就可以到达.