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宇宙中的終極能源,核聚變在它面前就是渣渣,它是怎么被發現的?

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簡單來講,核聚變就是較輕的原子核聚合成較重的原子核,在此過程中,生成的“新原子核”的質量,會比原來參與反應的原子核的總質量輕一點,而這些虧損的質量,則會以能量的形式被釋放出來,這可以通過愛因斯坦提出的質能方程“E = mc^2”來進行描述。



正如我們所知,質能方程中“c”代表的是光速,這是一個很大的數字,所以即使是一點點質量,乘以光速的平方,得到的能量也是非常可觀的,所以核聚變也被我們視為是一種非常強大的能源。

然而核聚變過程中的質量虧損,其實并沒有我們想象中的那么多,即使質能轉換率相對較高的氫核聚變,其虧損的質量也只占參與反應總質量的大約0.7%。

那么,有沒有比核聚變的質能轉換率更高的能源呢?答案是肯定的,實際上,早在上個世紀,科學家就已經發現,宇宙中有一種奇特的物質——反物質,它們能與我們常見的普通物質發生湮滅,在此過程中,所有參與反應的質量都將轉化為能量。



也就是說,反物質所引發的這種湮滅過程,其質能轉換率是100%(大約是氫核聚變的143倍),毫不夸張地講,如此高的質能轉換率,使得核聚變在它面前就是渣渣。由于這已經達到了理論上的極限,反物質也被認為是宇宙中的終極能源,那么,它是怎么被發現的呢?

實際上,反物質的存在最初只是理論上的推測,在1928年的時候,物理學家保羅·狄拉克提出了著名的“狄拉克方程”,這個方程可以同時滿足量子力學和相對論的要求,從而解決了當時物理學中的一個大難題,即:如何將這兩個理論結合起來,描述以極高速度運動的微觀粒子的行為。

但是,這個方程在數學上出現了一個“怪異”的解:它預言了一種質量與電子相同,但電荷卻與電子相反的粒子,一開始,狄拉克自己也對這個結果感到困惑,他甚至一度想將其解釋成質子,但很快發現行不通,因為質子的質量比電子大得多,跟方程的預言完全不匹配。



于是狄拉克大膽地提出了一個推測:宇宙中可能存在一種粒子,它們是電子的反粒子,由于它們與電子的狀態相反,因此當它們與電子相遇時,雙方就會相互湮滅,其質量則會以能量的形式釋放出來。

狄拉克的這個推測,在當時可以說是非常超前的,很多人都對此表示懷疑。不過在4年之后,也就是1932年,物理學卡爾·安德森在利用帶有強磁場的“云室”研究宇宙射線的過程中,觀測到一種與電子質量相當,但帶正電荷的粒子軌跡。

通過對其在磁場中的偏轉方向、曲率半徑和徑跡特征的精確分析,安德森確定了該粒子正是狄拉克所預言的粒子,并將其稱為正電子。



值得一提的是,早在1930年的時候,物理學家趙忠堯就在γ射線散射實驗中發現了一些反常現象,這些現象后來被證實是電子和正電子湮滅過程造成的,但是當時人們并沒有意識到。

盡管狄拉克方程成功預言了正電子的存在,但其原始理論在處理負能態、電荷守恒以及多粒子系統等方面仍存在諸多不嚴密之處。因此,包括狄拉克本人在內的眾多理論物理學家,隨后致力于對該模型的優化和完善,經過不斷發展,最終促成了量子場論的建立。

簡單來講,量子場論將粒子視為量子場的激發態,并系統性地解決了正反粒子對的產生與湮滅等問題。該理論框架下,自然界中每一種粒子都對應著一種反粒子,其存在并非偶然,而是源于量子場的對稱性結構,在特定條件下,足夠高的能量可以產生正反粒子對,例如電子與正電子,質子與反質子,中子與反中子等。

而這也就意味著,從理論上來講,我們可以通過人工來制造反物質,怎么制造呢?一個可行的方法就是利用粒子加速器。



其原理簡單來講就是,把普通粒子加速到接近光速,然后讓它們去撞擊目標靶。在猛烈的撞擊中,能量會在極小的空間尺度內集中釋放,形成瞬時極高的溫度與壓強,在這種極端條件下,部分能量就有可能轉化為等量的粒子與反粒子,然后再通過磁場和電場將反粒子從其他次級粒子中分離出來,進而實現反物質的識別與收集。

正是通過這樣的方法,科學家們在1955年和1956年分別制造出了反質子和反中子,并在1995年的時候首次合成出了反氫原子。

那么問題就來了,既然我們人類已具備了制造反物質的能力,為什么不將其應用起來呢?其實最主要的原因就是,產量實在是太少了。具體有多少呢?這樣說吧,迄今為止,人類制造出的反物質的總量只有10多納克(1納克 = 0.000000001克),其蘊含的能量甚至還不足以將一杯水燒開。



除此之外,由于反物質一旦與普通物質發生接觸即會發生湮滅反應,因此其儲存必須在完全避免物質接觸的條件下進行。當前,科學家主要依賴電磁約束系統在超高真空環境中對帶電反粒子進行空間懸浮控制,使其避免與任何實物接觸,然而這種約束方式卻難以實現穩定、長時間的儲存。

所以盡管反物質堪稱是已知宇宙中的終極能源,以至于核聚變在它面前就是渣渣,但由于科技水平的限制,我們在未來的很長一段時間里,都無法將其作為能源來使用。

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