AL123 人文社科会员免费专区文学 2023-07-19

出发吧！太空探险家_【意】安东尼奥·埃里迪达托_AZW3_MOBI_EPUB_PDF_电子书（无页码）_【意】安东尼奥·埃里迪达托

内容节选

5反物质推进和其他当人们想要登月的时候，只有两个问题需要解决：第一，怎样才能到达月球；第二，怎样返回地球。如果这两个问题没有解决，就不要出发，这是关键所在。 ——[美]尼尔·阿姆斯特朗很显然，反物质和普通的物质完全一样。我们无法区分苹果和反苹果……如果非要说区别的话，反物质和物质的区别仅仅在于它们的基本组成结构，即基本粒子。我们已经看到，一个原子主要由一个原子核构成，而构成原子核的是带正电荷的质子和不带电的中子。它们在强核力的作用下结合在一起，强核力将各种带同种电荷的质子紧密地聚合在一起，尽管它们之间互相排斥，但排斥力远远弱于强核力。围绕在原子核周围的是带负电的电子云，量子力学的概率论很好地描述了它们的运行方式。尽管从宏观层面来看，质子和中子的质量微乎其微，但它们仍是电子质量的两千倍左右。 20世纪20年代末期，在现代原子物理学的开端，英国物理学家保罗·狄拉克预测了反电子的存在，用来解决最初的量子理论公式中一些明显的不合逻辑的问题。反电子，又叫正电子，是一种和电子一模一样的粒子，它们具有相同的质量，但反电子带的是正电荷。更加准确来说，狄拉克找到了他的方程式（该方程用来描述基本粒子的运动）的解答，提出电子带有负能量。众所周知，能量被定义为正向的物理量，而狄拉克提出的解决方式，说通俗点，是非物理学的方式。聪明的狄拉克完美地化解了这个难题，他假设带负能量的电子完全等同于带正能量的正电子，因此，就把问题转移到了去寻找真正的反粒子，并证实它们的存在。几年后，美国人卡尔·安德森果然发现了正电子，从而打开了潘多拉的魔盒，在后来的若干年里，其他大量的反物质粒子从魔盒里跳出来，所有这些反物质粒子都和普通粒子成对出现。这样，反质子也被发现了，它带负电，还有反中子，和中子一样，它也不带电：零的反面还是零。自从出现了反粒子，就有可能形成由反原子构成的反物质——至少理论层面是这样。我们之前已经说过，物质相较于反物质的优越性在宇宙诞生初期就已经确立，如今，在宇宙中只留下一些反物质的痕迹，和它一起的还有占据主要空间的暗物质和暗能量。说到这儿，我们需要思考一下，如果把构成我们宇宙的粒子称为物质，把实际不存在的姐妹粒子称为反物质，其实不能确保物质的任何优越地位。如果在宇宙大爆炸的湮灭时刻出现偶然情况，湮灭后多余的部分是反物质而不是物质，我们现在就会安静地生活在一个带有负电荷质子的宇宙中，在质子周围，正电子正围绕着它运动。这也是一个惯常的现象。现在我们知道，1克的物质如果全部转化为能量，可以产生巨大的能量，等同于热核爆炸所释放的能量。那么，很显然，对于1克反物质，也能产生同样巨大的能量。如果物质和反物质发生了湮灭，这两克的质量能产生双倍的能量，也就是大约2×1014焦耳。湮灭反应的过程和反应后的最终产物取决于发生相互作用的粒子的种类。一个电子和一个正电子发生作用，产生了能量相对较高的两个光子，每个光子的能量等同于一个电子（或正电子）的质量乘以光速的二次方（c2）。如果是质子和反质子或中子和反中子发生湮灭，最终的可能产物就更多了，不仅包括非常高能的光子——伽马射线，还有其他一些奇异的基本粒子，如π介子和缪子。另外，由于质子和中子的质量比电子要高很多，湮灭后产生的总能量也比电子和正电子湮灭后产生的能量要高很多。根据以上我们讨论的这些内容，很显然，由“分布”在一个质子周围的一个电子组成的氢原子非常稳定，且永恒地存在下去，它完全类似于一个由正电子和一个反质子组成的反氢原子。氦原子也是如此，它由两个电子、两个质子和两个中子组成，与反氦原子类似。众所周知，反物质是不稳定的，其真正原因在于：它一旦形成，就很容易和周围占优势地位的物质接触并发生湮灭，比如它可能撞向存放它的容器壁。如今，我们在物理学实验室中已经能够不断制造反物质——例如欧洲核子研究中心或美国费米实验室，然而，遗憾的是，我们产出的量还很少。由于反物质的不稳定性，一旦生产出来，它们就被保存在特定的容器中，电磁场的作用力使它们悬浮在真空中，因此不与任何物质接触。生产单个反物质粒子——正电子、反质子等——在技术上是可行的，只要运用核物理学和基本粒子物理学的典型方法。例如，可以利用由粒子加速器激发的物质微粒，使其相互作用，有时通过级联过程，使粒子相互作用。我们也可以从伽马光子开始，使其通过密度很大的有厚度的材料——如铅，从而产生诸多电子和正电子对。通过电磁场的作用，将正电子从众多正负电子对中筛选出来。如果要制造中性反物质或是反物质原子，比如反氢原子，过程会更加复杂，产出的量也会更少：首先，我们要制造出数量较多的反质子，它们的动能极低，几乎是静止的，然后让它们和正电子碰撞并结合在一起，这段过程要保持足够长的时间，直到它们最终结合成一个稳固的状态，一个围着另一个旋转。通过基本粒子碰撞而产生的反质子被我们筛选出来，......