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反物质:宇宙中的终极能源

2026-01-29

        核聚变是较轻原子核聚合成重核的过程,反应后新核总质量略小于反应物总质量,亏损的质量会以能量形式释放,这一现象可通过爱因斯坦质能方程“E=mc²”解释。由于光速“c”数值极大,即便微小质量也能转化为巨额能量,让核聚变成为极具潜力的强大能源。

        但核聚变的质能转换率并非顶尖,氢核聚变的质量亏损仅占总质量的0.7%。而宇宙中存在的反物质,能与普通物质发生湮灭反应,将参与反应的全部质量转化为能量,转换率达100%,约为氢核聚变的143倍,堪称理论上的终极能源,让核聚变也相形见绌。

        反物质的存在最初源于理论推测。1928年,物理学家保罗·狄拉克提出狄拉克方程,该方程兼顾量子力学与相对论,却在数学上预言了一种质量与电子相同、电荷相反的粒子。狄拉克最初试图将其解释为质子,因质量不符转而大胆推测:宇宙中存在电子的反粒子,二者相遇会相互湮灭并释放能量。

        这一超前推测当时饱受质疑,直到1932年,物理学家卡尔·安德森利用云室研究宇宙射线时,观测到与电子质量相当、带正电荷的粒子轨迹,经分析确认这就是狄拉克预言的正电子。值得一提的是,1930年赵忠尧在γ射线散射实验中发现的反常现象,后被证实是电子与正电子湮灭所致,只是当时未被识别。

        狄拉克方程虽预言了正电子,却存在理论漏洞。此后物理学家不断优化模型,最终促成量子场论的建立。该理论将粒子视为量子场的激发态,指出每种粒子都对应一种反粒子,源于量子场的对称性,足够高的能量可产生正反粒子对,如质子与反质子、中子与反中子等。

        理论上,人类可通过粒子加速器制造反物质。其原理是将普通粒子加速至接近光速,撞击目标靶使能量集中释放,在极端条件下转化为粒子与反粒子,再通过电磁场分离收集。科学家据此在1955年、1956年分别制造出反质子、反中子,1995年首次合成反氢原子。

        尽管能制造反物质,但其应用仍遥遥无期。首要问题是产量极低,人类至今制造的反物质总质量仅10多纳克,蕴含能量不足以烧开一杯水。其次储存难度极大,反物质遇普通物质即湮灭,目前依赖电磁约束在超高真空环境悬浮,无法实现长期稳定储存。

        综上,反物质虽为宇宙终极能源,性能远超核聚变,但受限于当前科技水平,未来很长一段时间内,仍难以作为能源投入使用。

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