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宇宙中的完美能源,核聚变在它面前就是渣渣,它是怎么被发现的?

人类的梦想是星辰大海,要实现这个梦想,我们就需要强大的能源。就目前来看,离我们最近的强大能源就是核聚变了,需要说明的是,这种能源并不完美,即使以后人类掌握了可控核聚变的技术,也只能将核燃料的大约0.7%的质量转换成能量。

那还有没有更强大的能源呢?答案是肯定的,科学家早已发现,宇宙中存在着一种特殊的物质——反物质,这种物质能够与普通物质发生湮灭,并且将自身的质量全部转化为能量。

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我们可以看到,反物质这种能源的效率是核聚变的大约143倍,而由于它的质能转换率已经到达极限100%),因此可以说,反物质才是宇宙中的完美能源,而核聚变在它面前就是渣渣。假如人类未来的宇宙飞船能够使用反物质能源,那进行跨越星际的飞行将不再是梦想。

相信大家一定会好奇,为什么反物质遇到普通物质就会湮灭,原理是什么呢?我们不妨先来了解一下它是怎么被发现的。

从古到今,人们一直在苦苦探索我们的世界到底是由什么组成的,起初人们认为这种东西是原子,然后人们又发现了原子并非物质的最小单位,再然后人们发明了粒子对撞机,从此拥有了撬开原子核的实力,经过多年的研究,科学家发现了大量的微观粒子,在对其进行分类之后,于是我们就有了粒子物理学的标准模型。

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科学家认为,我们的世界就是由许许多多的这样的基本粒子所构成,为了研究这些微观粒子的规律,量子力学应运而生。在量子力学中,有一个基本的方程式——薛定谔方程,利用这个方程式,人们就可以计算出微观系统的具体性质,然而这个方程式并不完美,因为它并没有考虑相对论。

想象一下,对于真空中的两束方向相反的光线而言,它们的相对速度会是多少?根据常识来说,我们会理所当然地认为,它们的相对速度是两倍光速。但事实并不是这样,早在1887年,著名的迈克尔逊-莫雷实验就证实了一个奇怪的现象,那就是对于一个观察者来说,无论他处于哪种参考系,他观察到的真空中的光速都是不变的。

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也就是说,这两束方向相反的光线的相对速度依然是光速,这个现象虽然很反直觉,但却是真实存在的。对此,爱因斯坦在相对论中指出,物体的相对运动速度并不是简单地叠加,而应该通过公式 V = (v1 + v2)/(1 + v1v2/c^2)来计算(注:v1、v2分别代表两个物体的速度,c代表光速)。

我们可以看到,利用该公式计算出的结果与实际情况相符,我们还可以看到,在低速的情况下,将物体的运动速度进行简单地叠加所得出的结果,也不会出现太大的偏差,但在高速的情况下,就必须要考虑相对论了。

需要指出的是,在微观世界中,各种基本粒子的速度是相当快的,比如说电子在原子内部空间运动的时候,其速度常常可达到每秒数千公里,而如果电子得到了足够的能量,它的速度甚至可以达到光速的99%以上,因此可以说,要计算出微观系统的运动规律,就必须得将相对论也考虑进去。

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1928年,物理学家狄拉克在薛定谔方程的基础上引入了相对论,提出了著名的狄拉克方程,完美地解决了这个问题。但新的问题很快就出现了,因为人们在解狄拉克方程的时候,发现电子居然可以存在负能级。

先简单解释一下,按当时的理论来讲,电子可以有多个能级,总的来说,当电子得到足够的能量的时候,它们就会向高能级跃迁,而在平常的时候,它们总是具有从高能级跃迁到低能级的趋势,通过大量的实验和研究,科学家发现电子有一个最低能级(基态),当电子跃迁最低能级的时候,就不可能继续向更低的能级跃迁了。

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然而狄拉克方程却明确表示了电子可以存在负能级,这就与相关理论以及实验结果产生了巨大的矛盾,怎么办呢?于是狄拉克提出了“狄拉克之海”的观点,他认为负能级是存在的,只是因为真空中布满了不可见的处于负能级的电子,所以人们观察不到有电子跃迁到负能级(泡利不相容原理)。

那么问题就来了,在“狄拉克之海”里处于负能级的电子得到足够的能量的时候,它们就会向高能级跃迁,那么当它们离开“狄拉克之海”以后,留下的“空位”又是什么呢?因为根据电荷守恒定律,这个“空位”应该是带正电的(因为电子带负电),所以狄拉克最初的说法是,这个“空位”是一个质子。

但这种说法根本就讲不通,因为根据质能守恒定律,不管怎么说,这个“空位”都应该是一个与电子质量相同,并且电荷相反的粒子,它根本就不可能是质子。对此狄拉克伤透了脑筋,我的方程式明明是正确的,为什么会得出如此奇怪的结果呢?

最后他实在是无法根据已有的理论来作出合理的解释,干脆就大胆地预言,这个“空位”其实是一种我们还没见过的“反粒子”,我们不妨将它称为“正电子”,这种“正电子”与电子质量相同,但电荷相反。

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狄拉克所预言的正电子其实就是反物质粒子,这可以完美地解释狄拉克方程所处的困境。根据他的构想,在真空中注入能量,就可以得到一个电子和一个反电子,即:“真空 + 能量 = 电子 + 反电子”,需要注意的是,这个过程是可逆的,也就是“电子 + 反电子 = 真空 + 能量”,这就是“反物质遇到普通物质就会湮灭”这种说法最初的原理。

狄拉克的预言很快就得到了证实,1932年,物理学家安德森利用“云室”首次在宇宙射线中发现了正电子的存在。但由于“狄拉克之海”存在着很多缺陷,因此在该模型提出之后,包括狄拉克在内的科学家们一直试图从理论上对其进行完善,并在此基础上发展出了量子场论。

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简单地讲就是,量子场论认为所有的粒子都有与其相对应的反粒子,之所以会有反物质,是因为能量可以在真空中“凭空”生成正反粒子对,比如说当γ光子的能量大于电子静能两倍的时候,就可以在特定的条件下生成一个电子和一个正电子,而当这它们相遇时,又会发生湮灭并产生2个或3个光子。

时至今日,反中子、反质子等反粒子早已得到证实,科学家甚至还制造出了真正意义上的反物质——反氢原子,但由于反物质的制造成本极高、产量极低并且无法长时间地保存,因此虽然我们知道反物质是宇宙中的完美能源,核聚变在它面前就是渣渣,但是在未来的很长一段时间里,人类都无法利用到这种完美的能源。

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