所有的粒子都有反粒子，反粒子與粒子雖然在質量等方面相同，但電荷等卻截然相反。由反粒子組成的物質就是反物質。一個物質粒子與其反物質粒子相遇會湮滅為一對光子。反氫原子是最簡單的反物質。
基本介紹
- 中文名：反物質原子
- 組成：反粒子
- 最簡單眼物質：反氫原子
- 套用領域：用作武器 爆炸威力遠超核彈
簡介,套用領域,
簡介
現有的物理學理論認為，物質和反物質具有相同的物理特性，宇宙誕生時物質與反物質的產生應該有相同的機率。然而，這些理論無法解釋為什麼現今的宇宙主要由物質組成。一些科學家推測，如果能發現物質與反物質在特性上的不同，也許能夠為此提供答案。
反物質至今都是物理學領域的一大謎團。我們周圍環境中的物質是正物質，它由原子組成，原子由帶正電的質子和帶負電的電子以及中性的中子組成。與此相反，由帶負電的質子和帶正電的電子組成的物質就是反物質。
【什麼是反物質？】
顧名思義，反物質就是普通物質的反狀態。物質由分子和原子組成，原子由帶負電的電子和帶正電的原子核組成，如果帶正電的電子和帶負電的原子核組成原子就是反原子，由反原子就可組成反物質。
【研究歷程】
反物質研究始於20世紀40年代後期，但進展極為緩慢。1995年錢姆伯林（Chamberbin）用加速器將質子加速到6Gev去轟擊銅靶，生成物∏ˉ（介子）與質子比例為50000∶1。為進一步探索反物質之謎，科學家在實踐上採取了兩種途徑，一是在自然界中尋找反物質，二是在實驗室中製造反物質。
1997年4月，美國海軍研究實驗室、西北大學和加州大學伯克利分校等五個著名研究機構的天文學家宣布，通過觀測到在銀河繫上方約3500光年處高於可見光強25萬倍的伽馬射線間接證明了反物質源的存在。由於受大氣干擾，地面上很難“捕捉”到反物質，因此科學家們把目光投向太空。為在太空尋找到反物質，1998年6月，美國“發現”號太空梭帶著由中國科學家製造的當代最先進的粒子物理感測儀：阿爾法磁碰議發射升空。2002年，它被送上國際空間站，進行更進一步的數據採集。
實驗室製造反物質進展較快，1995年歐洲核子研究中心（The European Organization for Nuclear Research ，簡稱CERN）的科學家們利用加速器將速度極高的反質子射流射向氚原子核產生正電子，正電子與反質子結合形成一個反氫原子，在15小時的實驗中，共觀測到9個反氫原子。但由於反氫原子處於正物質包圍中，經歷一億分之三秒（3×10-8秒）後正、反物質發生湮滅。1996年美國費米國立加速器實驗室成功製造了7個反氫原子。2000年9月18日歐洲核子研究中心在世界9個研究所，39名科學家的通力合作下宣布已成功製造出約5萬個低能態的反氫原子，這是人類首次在受控條件下大批量製造反物質，是反物質研究的“一個重要里程碑”。
反物質原子合成2000年8月10日，歐洲核子研究中心宣布投入使用“反質子減速器”，科學家們從而更容易地製造出大量反物質原子。反質子減速器是一個圓形混凝土盒，周長188m，耗資1150萬美元。它利用磁場將高能反質子和正電子冷卻、減速和聚積，最終在電磁場束縛下形成大量反氫原子，這些“冷”反氫原子溫度僅比絕對零度略高几度，為以後研究其特性提供可能。
由上述我們可以看出，要製造出大量反氫原子並進行研究必須解決三個最重要的問題。
第一個問題：反質子的電荷、磁矩與質子反號，質量、壽命、自旋與質子相同，記為P.科學家們一般用速度接近光速的核子轟擊靶核生成反質子。正電子由速度極高的反質子轟擊氚核而產生，其反應截面相對較高，由此，正電子問題可轉化為上面反質子的製備問題。
第二個問題：反質子和正電子的“冷卻”。在正物質占絕對優勢條件下，只有將反質子和正電子的速度降下來，才能獲得較大的反應截面，在其發生湮滅前形成反氫原子。
反質子減速器通過與粒子流平行的強大磁場將粒子流束縛在一個較小區域，並用反向電場對反質子進行減速、探測、分離。正電子也可用這種方法進行“冷卻”。
第三個問題：歐洲核子研究中心的科學家傑拉爾德。加夫列爾瑟領導的一個科研小組將反質子和正電子匯合在被稱為“粒子陷阱”的結構中。由於電漿可以保存在個有適當電磁場結構的“陷阱”中，並在德拜禁止長度λd（0.024－0.0024mm）限制下處於穩定狀態。只不過要想存儲更多的反物質，還要對“陷阱”作更進一步的研究。
為什麼人們要合成反氫原子而不是直接利用反質子進行正反物質湮滅呢？因為原子更趨於穩定，有利於更深入地研究、存儲及利用。反氫原子是構成所有反物質的基本粒子，在獲得能量方面人們不用去合成更複雜的反物質，只要能夠大批量地生產反氫原子，使其與氫原子湮滅則將獲得無究的能量。人類還不能得到反物質能量節餘，其本質原因是只實現了能量到反物質的轉變，如果實現了物質到反物質的轉變，人類將會得到副余能量。我們由此想到了物質與反物質的差別即反物質結構研究，從而最終實現物質到反物質之間的轉變。
反物質原子內部結構2000年10月29日，在歐洲核子研究中心，由哈佛大學加布里埃爾斯教授領導的研究小組宣布首次成功研究了反物質內部結構和物理特性。他們通過反質子減速器製備出“冷”反氫原子，並用強電場對其進行“撒裂”，通過測量拆散反氫原子所需電場的大小就可以知道反氫原子內部反質子和正電之間結合的緊密程度，從而首見“瞥見”反氫原子內部狀態。
科學家們一直認為在宇宙之初形成了等量的正物質和反物質，但今天我們的世界由正物質構成，這說明正、反物質在內部結構和物理特性上存在差異，如果能找到這種差異則對於我們合成反物質和解釋宇宙發展過程有著極為重大的作用。
那么正、反物質原子內部結構上是否真的一樣呢？讓我們先了解一下基本粒子。
輕、重子是費密子，費密子和反費密子除電荷不同外，固有宇稱也不同，故分開算。正、反介子電荷不同，但宇稱相同，故只算一種。 1956年Hofstadter發現質子、中子並不是物質世界的最基本粒子。質子電荷半徑約為0.8fm，中子電荷半徑約為0.34fm.從而引出了強子譜的研究，得出強子由夸克組成的假定。電子和核子的深度非彈散射（DIS）最終證實了核子記憶體在夸克。科學家們認為物質世界由夸克和輕子組成，四種相互作用則通過交換玻色子來完成。
科學家們用味來表征夸克特性，並通過夸克味自由度的發現得出夸克是構成其他粒子的基本概念。
距今，人們一共發現了6種夸號。
每個夸克所帶重子數為1/3，並帶一種色，每個夸克共有3色，類似電荷間相互作用，夸克間的相互作用依賴於夸克的色，通過交換膠子（由三代電子正電子對撞機研究發現）夸克可以同帶有其他任何色的夸克相互作用。
夸克相互作用基本理論由量子色動力學（QCD）描述。自旋為1 膠子是玻色子，理論上有9種膠子：色單態和色八重態，但色單態被證明不存在。
到目前為止，人們發現所有可觀察到的獨立強子態都是色單態，對色單態交換強子中的任何兩個夸克都是完全反對稱的，實驗上，人們還未分離出任何色三重態描述的單個夸克，人們認為只能分離觀察到處於色單態的強子，觀察不到獨立的單個夸克的事實也表明夸克和膠子間的相互作用在長程範圍內一定是極強的。在實驗方面還未分離出任何一個單個夸克，這使得人們認為夸克在強子中的大空間範圍內的行為可以描述為囚禁在強子內。[7]科學家們一般認為重子是唯象夸克模型：三夸克束縛態。這種理論已經成功解釋了所知重子的所有性質。這引起我們對反質子、反中子的夸克模型的思考。若僅從電荷等一些基本參數考慮，可初步認為反質子、反中子由質子、中子所對應夸克的反夸克構過，這顯然需要具體的實驗數據來證實。在解釋過程中我們還應當考慮反夸克間組合形式與夸克間組合形式的差別，不能單認為是反夸克即可。三代夸克間組合遵守一定的內在定律，只要人們找到這種定律。在外加條件下誘導其發生組合形成的轉變。（這在現今夸克囚禁理論下被視為不可能，但我們應充滿信心。）
從物質到反物質的轉變前面已經提到，人類還只能實現能量到反物質的轉變，離物質到反物質的轉變還有很長一段距離。大統一理論預言存在質子的衰變：P→∏°+e+，衰變壽命為1032±2年，這使我們得到了物質到反物質轉變的肯定答案，並且正在被中微子探測器所證實。[8] 這引起我們對較大核誘導變成反質子、反中子等基本反物質粒子的思考。當然我們應更多地認識到這種衰變所需的完善理論和實驗證實，所以還應當從物質基本相互作用、組成形式等方面入手，一步一步走向成功。
【當前進展】
2010年10月29日 在瑞士日內瓦歐洲核子研究中心工作的一個國際科學家小組，宣布首次成功地對反物質原子的內部結構和物理特性進行了研究。專家們認為，這一成果是朝弄清物質與反物質的差別、進而驗證物理學基本理論而邁出的關鍵一步。
在過去幾年中，一些科學家成功地製造出了一些反氫原子，但這些反物質原子運動速度太快、或者說過“熱”，很容易在與物質的碰撞過程中湮滅，使內部結構等研究無法進行。
利用歐洲核子研究中心的“反質子減速器”，加布里埃爾斯教授等一直在致力於製造“冷”反氫原子。他們先後開發出一些技術，能讓帶負電的反質子和帶正電的正電子冷卻、減速和積聚，為研究其特性提供了可能。
加布里埃爾斯解釋說，在新的研究中，他們利用電場對反氫原子進行了“撕裂”實驗。這一實驗類似於“將反氫原子放到一個電池旁邊，反質子會因此而被吸引到電池的一極，正電子則將被吸引到電池的另外一端”。當外加電場電壓等達到足夠高，反氫原子就會被拆散，通過測量拆散反氫原子所需電場的大小，就可以知道反氫原子內部反質子和正電子之間結合的緊密程度。正是通過這種辦法，研究人員得以首次“瞥見”反氫原子的內部狀態。
加布里埃爾斯小組的初步結果顯示，反氫原子與氫原子在內部結構上似乎沒有什麼差別。但加布里埃爾斯表示，在他們的實驗中，正電子處於不正常的激髮狀態，他們的下一步目標是製造出正常的反氫原子，以便於能夠和普通的氫原子進行更精確的比較。他認為，如果能證明氫原子和反氫原子在特性上有所不同，那“將是近幾十年來物理學上最大的發現”。
實際上，早在1995年，歐洲核子研究中心就首次製造出了9個反氫原子。但反氫原子只要與周圍環境中的正氫原子相遇就會湮滅，因此實驗室中造出來的反氫原子稍縱即逝，科學家們根本無從研究它的真面目。2002年，歐洲核子研究中心的實驗進一步表明，反氫原子可以大量製造，但如何讓它們存在時間長一點仍是難題。
因此，這次實驗成果的突破就在於，人工製造的38個反氫原子存在了大約0．17秒。這個時間在普通人看來也許非常短，但對科學家來說，已比先前有了實質性的延長，足夠他們進行較為深入的觀察和研究。
利用磁場作“陷阱”
歐洲核子研究中心介紹說，這次之所以能夠將反氫原子捕獲長達0．17秒，要歸功於一種特殊的磁場。 在實驗室中，反氫原子是在真空環境裡製造出來的，正常情況下瞬間就會與正物質發生湮滅並消失。而這個強大而複雜的磁場會像陷阱一樣“拖延時間”，使反氫原子與正物質的接觸稍作延緩。
實驗顯示，利用這種磁場，可以將“牽制”反氫原子的時間延長到十分之一秒的量級，這對於觀察研究反氫原子來說已經“足夠長”。
最終，歐洲核子研究中心在製造出的數以千計的反氫原子中，成功地使其中的38個存在了大約0．17秒。
科學家稱，研究反物質，之所以選擇氫原子入手，是因為氫原子只包含一個質子和一個電子，是最簡單的原子，因此被看做是物理學領域最佳的研究對象。
反物質研究的重要一步
儘管這只是在實驗室中製造並短暫捕捉到反物質原子，但科學界仍然歡欣鼓舞，認為這是物理學領域的一次突破，距離反物質的“真相”又“近了一步”。
刊登這一研究成果的英國《自然》雜誌稱，成功“捕捉”反氫原子後，通過比較反物質和正物質，科學家們就可以測試粒子物理學“標準模型”中最核心的基本對稱理論。歐洲核子研究中心主任羅爾夫·霍伊爾在17日發布的一份新聞公報中說，“這是反物質研究領域的重要的一步。”
套用領域
用作武器 爆炸威力遠超核彈
用作燃料 6個星期可飛到火星
反物質是目前科學領域最大的謎團之一。正物質的原子由帶正電的質子和帶負電的電子以及中性的中子組成。與此相反，由帶負電的質子和帶正電的電子組成的就是反物質。正物質和反物質相遇後會湮滅，並產生巨大能量。
歐洲核子研究中心稱，反物質就像是“宇宙的鏡子”。按照現行理論，宇宙大爆炸之初，產生了等量的正物質和反物質。但現實情況是，我們的世界由正物質組成——反物質似乎莫名消失了，至少仍然無法直接觀測到它的存在。
科學家解釋，當1克物質和1克它的反物質相撞湮滅時，能放出巨大的能量，科學家按照愛因斯坦提出的質能關係式（E=mc2 ）進行計算，物質和反物質湮滅時所釋放的能量是核裂變能的1000倍。因此，科學家稱，反物質運用在軍事領域，將是遠超過核彈的“末日武器”，只需幾克就能摧毀地球。
此外，在不少科幻小說中，主人公能在較遠的宇宙中旅行，就是因為飛船運用了反物質燃料。舉個最簡單的例子，如果想把人類送上火星，那需要千萬噸以上的化學原料，而如果是以反物質為燃料的話，僅需要幾十毫克，同時時間也大為縮短，只需要6周的時間就可以到達。
