断层扫描原理(大白话讲述反物质之谜：它是个啥？为什么它没有毁灭宇宙？)

Posted 2023-05-28

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断层扫描原理(大白话讲述反物质之谜：它是个啥？为什么它没有毁灭宇宙？)

对于很多人来说，这听起来就像是科幻小说：正常物质有一个“邪恶的双胞胎”，一旦两者接触就会相互湮灭。但是，这种反物质是非常真实的，尽管经过了数十年的研究，它仍然非常神秘。那么，反物质究竟是什么？它在哪里？为什么理解它对我们很重要？为什么它还没有摧毁宇宙？

反物质是什么？

尽管，听起来很奇怪，反物质本质上就像普通物质一样，只是它的粒子带有相反的电荷。但这个简单的区别实际上包含着一些重要的含义 —— 如果粒子和它的反粒子相遇，它们将在能量爆发中相互湮灭。

幸运的是，反物质非常非常罕见。它是在宇宙射线相互作用、飓风和雷暴期间以及作为某些类型放射性衰变的一部分，而自然产生的微量元素。事实上，任何含有“钾 40”的物质都会偶尔吐出反物质粒子。这包括香蕉，是的，甚至包括你自己。但别担心，它走不了多远就会与电子碰撞并再次消失。

在人为情况下，反物质主要是在粒子加速器中产生的，比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（Large Hadron Collider），但也只能产生极小的数量，而且通常不会持续很长时间。

上图：欧洲核子研究中心基础实验的一部分，反物质在实验室中产生和储存。

事实上，每个粒子都有其等效的反粒子。例如，有反质子、反中子和反电子（更广为人知的是正电子）。有些粒子，比如光子，实际上是它们自己的反粒子。

这些反粒子也可以连接起来形成反原子。例如一个反质子和一个反电子可以形成一个反氢原子。理论上，每一种元素都应该有一个反物质等价物，除了电荷之外，它们应该具有与普通物质相同的所有性质。

当然，反物质并不是天生就比普通物质“差” —— 我们只是把它定义为“反”，因为它与我们习惯的物质相反。但是，如果在某个地方，有由反物质组成的生物生活在反物质行星上，围绕反物质星系中的反物质恒星运行（顺便说一下，这在理论上是可能的），他们可能会改变物质和反物质的标签。

反物质和暗物质可能很容易混淆，但两者是非常不同的。暗物质被假设分布在整个宇宙中，尽管有大量证据表明暗物质的存在，但它仍然无法被直接探测到。而反物质，则是极其罕见的，但已被实验证实，目前是不断研究的主题。

那么我们是如何研究反物质的呢？

欧洲核子研究中心（CERN）等机构的科学家，可以通过在加速器中将某些粒子粉碎在一起来制造反物质，从而产生物质和反物质对的簇射。当这些对被分离时，反物质就可以被保存和研究。

然而，这是一个非常困难的过程，因此人工生产也只有几十纳克。这也使得它成为世界上最昂贵的材料，科学家估计它每克的成本高达250亿美元。还有部分困难和高昂的成本来自储存，可想而知，当然不能像把它放在罐子里那么容易，因为它会在接触时摧毁大多数容器。

所以，科学家们使用了所谓的“潘宁陷阱”。反物质粒子被电磁场悬浮在真空室中，使它们远离两侧（四周）。使用这种方法，科学家们在2010年首次捕获反氢原子，并设法让其保存了几分之一秒，然后在2011年将其延长到16分钟以上。目前的记录是将反质子储存了405天。

如果，储存反物质都如此地棘手，那么运输它就完全是另一个层次的挑战了。2020年，欧洲核子研究中心详细介绍了一种新的陷阱设计，这种陷阱可以用来将大量反物质移动到更远的距离。

上图：BASE-STEP运输装置的全横截面。

该装置名为“BASE-STEP”，由两个潘宁阱组成，一个接收和释放反质子，另一个储存反质子以备运输。陷阱将被 1-Tesla 超导磁铁包围以稳定它们，而一层液氦使系统能长时间保持冷却。整个装置小到可以装载到卡车上，然后卡车可以将反物质运送到其他设施进行更详细的研究。

你可能会猜想，如此困难和麻烦的研究，我们能获得什么呢？实际上，就算在应用层面，反物质有着巨大的技术潜力。事实上，它已经找到了一个有用的应用，你自己可能也经历过。

我们可以用反物质做什么？

如果你曾经做过 PET扫描（正子断层造影），就会有医生通过这个设备观察你的身体，看看你体内是否有反物质湮灭事件。顾名思义 —— PET 代表正电子发射断层扫描，正电子就是电子的反物质版本。

PET扫描的工作原理是，向患者注射一种放射性示踪化学物质，当其粒子衰变时释放出正电子。这些正电子将与患者组织中的电子碰撞，释放出伽马射线光子，由专门的摄像机捕捉到。通过追踪这些事件，医生可以重建器官和肿瘤的3D图像。

上图：一名患者的PET扫描，显示示踪染料在心脏和肾脏中正常积聚，同时在肝脏中有肿瘤。

如果，反物质能够大规模地生产或收集，我们也许能够将其用于更具有革命性的应用。当物质和反物质碰撞时释放的能量是巨大的 —— 仅仅每一克物质产生的能量就相当于一颗4万吨的原子弹。利用它，可以帮助推动遥远未来的宇宙飞船非常高效地穿越宇宙，也许仅仅几十毫克的反物质就足以把一艘飞船送上火星。

然而，它的黑暗面则是，反物质也可以制造出一种具有不可估量破坏力的武器。但值得庆幸的是，反物质高昂的成本让它的黑暗面还一直停留在科幻小说的领域里。

但在我们为反物质制定任何宏伟计划之前，我们需要更详细地研究它。毕竟，有些基本的问题我们仍然没有答案。

最大的反问题

除了具有相反的电荷，物质和反物质应该基本相同，遵循相同的物理定律 —— 但重点是“应该”。假设并不能造就坚实的科学，所以物理学家们一直在反复验证这些基本假设，以防万一，因为任何异常都可能暗示着粒子物理标准模型的一个全新篇章。

例如：每一种元素和化合物都有一个独特的指纹，叫做“发射光谱”，这是根据它们吸收和发射的光波长来确定的。根据标准模型，同一元素的物质原子和反物质原子应该具有相同的光谱，但直到2016年，欧洲核子研究中心的科学家才最终进行了验证。研究小组用激光轰击反氢原子，测量其光谱，发现并确定，它与普通氢原子的光谱一致。

另一个重要的问题是，反物质对引力的反应是否和普通物质一样。同样，这也是预期的结果，但反物质实际上可能会向上坠落的可能性约为百万分之一。这听起来是一个我们应该已经知道的、非常基本的事情，但到目前为止，所有与反物质有关的工作都必须将其悬挂在电磁陷阱中。

上图：ALPHA - g实验正在欧洲核子研究中心建立，它将抛撒反物质，以观察重力如何影响它。

欧洲核子研究中心有两个独立的实验来测试这一想法，分别是“GBAR”和“ALPHA - g”。在这两种情况下，实验设计都非常简单 —— 关闭陷阱，看看湮灭是发生在陷阱下方还是上方。希望我们等结果的时间不会太长。

但是，我们可以通过研究反物质来解决另一个主要的宇宙之谜 —— 我们到底为什么会在这里?

物质 —— 反物质不对称

根据粒子物理学的标准模型，大爆炸应该会产生等量的物质和反物质。但如果是这样，随着时间的推移，宇宙的全部内容将通过碰撞而自我毁灭，今天的宇宙将成为一个非常空虚的地方。

显然，这并没有发生。那么反物质发生了什么？

它可能就在某处。理论上，反物质应该能够像普通物质一样聚集成恒星、行星和星系（只要周围没有普通物质使其湮灭）。这意味着，宇宙中可能有反物质占主导地位的角落。

它可能并不像你想象的那么遥远。一些科学家认为，反物质恒星可能潜伏在我们的星系中，像普通恒星一样发光。然而，当物质微粒接触到这些“反恒星”时，它们会释放出不寻常的伽马射线暴，我们或许能够通过这些伽马射线暴来识别它们。

但这也可能瓦解这一想法。即使宇宙的物质和反物质区域被广袤的星际空间隔开，但沿着边界仍然会有相当规律的湮灭事件发生。这将导致出现清晰的伽马射线信号，而这些信号还没有被观测到，因此在可观测的宇宙中不太可能存在反物质占主导地位的区域。

相反，主要的推理思路是，在宇宙的早期，某种东西导致了物质与反物质比例的不平衡，所以，最终其中一种物质比另一种物质多一点。这意味着，今天宇宙中的所有物质只是曾经存在的物质的一个极小的部分 —— 只有100亿分之一，是反物质湮灭宇宙大灾难后的残余。

那么是什么导致了这种不平衡呢？这里有一些假设

一种观点认为，我们的存在要感谢中微子。这些中性的亚原子粒子就是它们自己的反粒子，人们认为，它们可能在早期宇宙经历相变时将一些反物质转化为物质。

其他的亚原子粒子，比如魅力介子，在实验室中被捕捉到会在物质和反物质之间转换。如果出于某种原因，从反物质到物质的转变对它们来说比相反转变更容易，那么它们可能在宇宙历史的早期就造成了不平衡。

上图：这是一个模型，描述了早期宇宙中轴子（黑球）的振荡，如何创造出比反物质更多的物质（彩色球）。

另一个故事指向一种假设的粒子，叫做轴子。据预测，它们极其轻，不带电荷，以波的形式漂浮在宇宙中，很少与其他物质相互作用。根据一项研究，轴子场在早期宇宙中开始振荡，产生的物质比反物质多一小部分。

有趣的是，轴子可能是一种非常方便的粒子。它们的存在不仅可以解决物质与反物质的不对称问题，还可以同时解决另外两个宇宙难题 —— 它们也是暗物质的候选物质，而且它们还填补了我们对粒子物理学理解的另一个漏洞，也就是“强 CP”问题。

总而言之，反物质的内在奥秘很可能在未来很长一段时间内继续困扰着科学家。实验室实验和天文观测无疑将提供新的线索，帮助我们理解宇宙的进化、粒子物理的标准模型的局限性，以及如何利用这种奇怪的物质来实现我们甚至无法想象的用途。

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