反物質形成的科學原理是什麼

反物質是很多的小説和動漫都出現過的名詞，但是傑很難多的人都不明白反物質是怎麼形成的。下面是本站小編為你精心推薦的反物質形成原理，希望對您有所幫助。

簡單的説，物質是由分子和原子組成，原子是由帶負電的電子和帶正電的原子核組成，如果由帶正電的電子與帶負電的原子核組成原子，那麼就是反原子，由反原子就可組成反物質。

反物質就是由反粒子組成的物質。所有的粒子都有反粒子，這些反粒子的特點是其質量、壽命、自旋、同位旋與相應的粒子相同，但電荷、重子數、輕子數、奇異數等量子數與之相反。

例如，氫原子由一個帶負電的電子和一個帶正電的質子構成，反氫原子則與它正好相反，由一個帶正電的電子和一個帶負電的反質子構成。物質和反物質相遇後會湮滅，釋放出大量能量。

自然界紛呈多樣的宏觀物體還原到微觀本源，它們都是由質子、中子和電子所組成的。這些粒子因而被稱為基本粒子，意指它們是構造世上萬物的基本磚塊，事實上基本粒子世界並沒有這麼簡單。在30年代初，就有人發現了帶正電的電子，這是人們認識反物質的第一步。到了50年代，隨着反質子和反中子的發現，人們開始明確地意識到，任何基本粒子都在自然界中有相應的反粒子存在。

反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，發生爆炸併產生巨大能量。能量釋放率要遠高於氫彈爆炸。 在丹·布朗的小説《天使與魔鬼》裏，恐怖分子企圖從歐洲核子中心盜取反物質，進而炸燬整座梵蒂岡城。與此類似的是，YQZ的小説《末日大逃亡之地球毀滅》中，男女主角在費米國家實驗室科學家的幫助下，成功地用運載35克反物質的洲際導彈炸燬了撞向南極洲飛船基地的中子星，而它曾經受數千枚核彈狂轟濫炸卻毫髮無傷。

反物質概念是英國物理學家保羅·狄拉克最早提出的。他在20世紀30年代預言，每一種粒子都應該有一個與之相對的反粒子，例如反電子，其質量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反(A)。 且電子的自旋量子數是-1/2而不是正1/2。

歐洲航天局的伽馬射線天文觀測台，證實了宇宙間反物質的存在。他們對宇宙中央的一個區域進行了認真的觀測分析。發現這個區域聚集着大量的反物質。此外，伽馬射線天文觀測台還證明，這些反物質來源很多，它不是聚集在某個確定的點周圍，而是廣佈於宇宙空間。

在多數理論家看來，宇宙中正反物質的大尺度分離是不可能發生的。因此，三千萬光年的範圍內沒有反物質天體，已説明宇宙中大塊的反物質是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質應當等量。這樣，需要做的事是尋找物理機理，來説明宇宙如何才能從正反物質等量的狀態過渡到正物質為主的狀態。這裏，理論家也遇到了非常尖鋭的困難。

按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質的温度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產生達到統計平衡，宇宙介質就是一切基本粒子構成的混合氣體，且任一種穩定或不穩定的'粒子都有接近相等的數密度。至於重子和反重子的數目是否嚴格相等，這不是由物理規律決定，而是由初條件決定的。

在理論家看來，在最初的宇宙中正反粒子應當等量才自然。但是易於看出，若這想法是對的，重子的守恆性立即會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體温度降至10 ^13 K以下，由於粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產生重子已不可能。於是湮滅過程將使正反重子的數目同時迅速下降。最終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上，今天宇宙中光子的數目最多.重子的數目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數目很可能還要低許多量級。如果重子數B的守恆性是嚴格的物理規律，要宇宙從正反重子等量的狀態演化成今天這樣的狀態是不可能的。然後，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多於反重子，那麼問題的出路在哪兒?

重子數B的守恆性肯定是嚴格成立的物理規律嗎?至今難以計數的粒子實驗確實沒有發現過一個破壞重子數守恆的事例，但是這並不説明它一定是嚴格的規律。回顧一下化學的發展可作借鑑。化學反應

是元素的重新組合。經驗表明，在重組合的前後，每一種元素的原子數是守恆的，無數的化學實踐表明沒有例外。想把汞變金的鍊金術的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應的知識後人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關鍵在於要有高的能量讓原子核發生變化。化學反應是在粒子能量小於1eV的條件下進行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應就不能發生。若過程中粒子的能量超過1MeV，原子核之間就能充分接近，那麼原子核就能變化了，原子數的守恆性也就隨之破壞了。由此看來，原子數在化學過程中的守恆不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規律，而不是普遍成立的自然規律。借鑑同樣的道理，重子數的守恆性也可能僅是一定能量範圍的唯象規律，而不是普遍成立的。當粒子的能量更高，重子數的守恆性完全可能會不成立，這正是今天的理論家看到的出路。

從70年代中期起，粒子物理中由弱電統一理論的成功，掀起了研究相互作用大統一的潮流。按這樣的理論，高能下發生破壞重子數守恆的過程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學解決正反物質不對稱疑難的需要不謀而合了。於是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學的交叉領域而得到了很多進展。人們已清楚，要從正反物質等量的早期宇宙演化出今天正物質為主的狀態，除了重子數守恆須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質還必須有適量的差別。由於超高能下的粒子物理規律至今還沒有被掌握，因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物質天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還並不完全肯定。

總之，為徹底揭開宇宙反物質之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預料，這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的，它對物理學的影響也將是很深刻的。

歐洲核子研究中心的科學家們在歐洲當地時間的2010年11月17日表示，通過大型強子對撞機，他們已經俘獲了少量的“反物質”。當然，這些“反物質”只是少量的反氫原子而已，但這一發現也是引發了科學家極大的反響。

位於日內瓦的歐洲核子研究中心一直以來也在為破解這一難題而不懈的努力。歐洲核子研究中心擁有世界上能量最高的粒子對撞機——大型強子對撞機，這一對撞機的使命就是探究宇宙的起源，尋找那些未經證實的可能存在的物理現象。

在17日研究人員宣佈，在經過了不懈的努力之後，大型強子對撞機終於發現了幾十個氫原子的‘反物質’。羅布湯普森教授表示：“儘管發現的只是反物質的冰山一角，但這毫不影響這一發現的重要性，這是一次重大的突破，有利於我們更好的瞭解宇宙的性質和起源”。

羅布湯普森教授説的沒錯，反物質的發現將會引領人類的變革，使得人類的星際旅行之夢將成為現實。此前在大量的科幻小説中，用於星際旅行的飛船都是以反物質作為燃料的。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。

這項新的研究將會發表在《自然》雜誌上，同時還包括了歐洲核子研究中心專家在此過程中所起到的舉足輕重的作用，以及探討究竟這些科學發現者扮演者天使還是魔鬼的角色。來自英國的斯旺西大學的查爾頓教授最後對於這一發現做了自己的論述：“現在的宇宙基本是由普通物質所壟斷，但我們必須要了解宇宙的全貌，否則我們可能身處危險之中卻全然不知，氫是宇宙中最重要的元素，發現它的反物質，具有非凡的意義。”

英國《自然》雜誌網站17日刊登研究報告説，歐洲核子研究中心(CERN)的科學家成功製造出多個反氫原子，並利用磁場使其存在了“較長時間”。這是科學家首次成功“抓住”反物質原子。

氫原子是隻有一個質子和一個電子的最簡單的原子。實際上，歐洲核子研究中心早在1995年就第一次製造出了反氫原子，但只能存在幾個微秒的時間，就與周圍環境中的正氫原子相碰並湮滅。此次的突破之處在於，製造出數個反氫原子後，藉助特殊的磁場首次成功地使其存在了“較長時間”——約0.17秒。

這個時間聽起來似乎仍然很短，但對於科學家來説，這個時間長度已十分難得，可以對反氫原子進行較為深入的觀測和分析。因此，這一成果被看作是物理學領域的一大突破，將大大推動有關反物質的研究。

現在，大型強子對撞機要對撞1千年才能夠對撞出一微克反物質。