《神奇的反物质》PPT课件.ppt

神奇的反物质,生态03级 张文杰 031403008,人类对物质世界地认识,人类很早就开始考虑什么是物质了。 在东方的中国哲人老子道德经里所 说： “道生一，一生二，二生三，三生万物。”这是朴素唯物对我们这个物质世界的认识。 另一方面，在西方的古希腊人也就认为 水、火、空气和泥土是构成物质的基本元素。,而时至今日，人类已经 发现，物质由分子和原子组成，原子是由带负电的电子和带正电的 原子核组成。再往下划分，物质又可以分成强子由夸克组成， 包括上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克；轻子 包括电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微 子；还有传播子传递强作用的各种胶子。物质组成的研究，帮 助人们重新认识了物质的世界，也帮助人们认清了物质之间的各种 相互作用。 那么我们认识的世界果真就是这样吗？科学家们并没有停止在对我们一致的物质世界的认知这个层次上 。他们开始了新的思考。,人类对反物质的思索,当你照镜子时，看一看在镜子中的那个你，如果那个镜子里的家伙真的存在，并出现在你的面前，会怎么样呢？ 科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜子中的那个你叫做“反你”。他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界，或者说是我们的世界在镜子里的像。它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。但是反物质是什么，这一切又可能是真实的吗？,什么是反物质,目前我们认识的物质是由分子和原子组成，而原子又是由带负电的电子和带正电的原子核组成。如果由带正电的电子与带负电的原子核组成原子，那又是什么呢？这就是反原子，而由反原子组成的就是反物质。 那么我们会问，物质和反物质在物理性质上有什么不同？他们如果相遇会爆产生什么现象？为了回答这个问题，还是让我们先来看看什么是反物质。,宇宙之奇反物质,反物质的组成,正电子带有一个正电荷而不是带有一个负电荷的电子。由Carl Anderson 在1932年发现，正电子是反物质存在的第一个证据。 反核子带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子。由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子 . 反原子正电子和反质子组合在一起，由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）。共制造了九个反氢原子，每一个的生命只有40纳秒。到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个。,物理学家安德森,1932年美国物理学家安德森（Carl David Anderson）在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实对于电子来说，正负电荷具有对称性 所有的粒子都有相应的反粒子。反粒子组成的世界就是反物质世界。大爆炸后应该产生同等量的粒子和反粒子，物质和反物质，可是我们观察到的物质要大大多于反物质。,“湮灭”现象,现在我们来看看刚才提出的那个问题。当反物质和物质相遇的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，放射出纯的射线，这些射线以光速穿过爆炸点。这些产生爆炸的粒子被完全消灭，只留下其它亚原子粒子。物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量。科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多。,对“湮灭”现象的思考,如果是这样的话，那么我们能不能建一个物质反物质反应机呢？建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏。如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质，我们将可能看到围绕我们的这些反应。如果我们的周围并不存在反物质，我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光。那么究竟我们周围又没有反物质呢？,反物质存在的可能性,年月日格林尼治时间零时，俄罗斯西伯利亚东 起勒拿河、西至叶尼塞河直线距离约公里的广大地区上空， 一个巨大的天体拖着长长的烟火尾巴，伴随着雷鸣般的轰鸣飞过东 起勒拿河、西至叶尼塞河，直线距离约公里的天空。随后， 人们感到三次强烈的爆炸，伊尔库茨克地震站测定其爆炸当量相当 于至万吨炸药。爆炸后的几天里，东至勒 拿河、西至爱尔兰、南至塔什干、波尔多（法国）一线的北半球广 大地区连续出现了白夜现象。爆炸之后，科学家们在叶尼塞河中、 下游和勒拿河支流维季姆附近，先后发现了个与月球火山口相似、 直径为至米的爆炸坑和一片面积约平方公里的 被冲击波击倒的原始森林。在随后的探险考察中，科学家们还发现 爆炸地区土壤被磁化，至年的树木年轮中出现放 射性异常，某些动物出现遗传变异。由于现场没有发现任何陨石碎 片等，基本排除流星或陨石坠落等。一个可能的解释，就是反物质 造成了这一著名的通古斯大爆炸。,寻找太空中的反物质,既然物质与反物质相遇会发生湮灭现象，那么在地球大气层以内是不可能发现天然的反物质了。那么太空中呢？这仍然存在着可能性，于是人们把目光投向了太空。 于是人们启动了AMS实验（Alpha Magnetic Spectrometer）AMS是个多国合作的科学实验，共有37个研究机构，由MIT教授 诺贝尔奖得主丁肇中博士领导，美国能源部负责建造，美国太空总署(NASA) 负责发射的任务，多国参与设计与出资，而台湾方面负责设计与制作符合太 空规格的电子电路板。AMS实验将是第一次将这样的探测器放入太空轨道 且是由许多粒子物理学家与天文物理学家合作。,实验证据,他们利用先进的伽马射线探测卫星发现在银河系上方约光年处有一个不断喷射反物质的反物质源。它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。 正反物质相遇可释放出巨大的能量和比普通可见光强万倍的伽马射线。银河系反物质“喷泉”正是通过这一相接证据发现的，因而它对深入反物质的性质帮助不大。为了“面对面”地研究反物质，科学家想到了直接“捕捉”反物质。,如何得到反物质,在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了。并且因为开始的时候有更多的粒子存在，所以现在的粒子是所有留下来的那些。今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在，也意味着存在天然的反物质，所以我们将不再需要制造反物质。 但是目前，我们将不得不创造我们自己的反物质。,年，美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子。与之 前发现的电子相比，其质量和带电量完全相同，但它带的是正电， 而电子带的是负电。因此，这被称为正电子。正电子也就是电子的 反粒子。正电子的发现，毫无疑问的引发了科学家们新的探索之旅， 而就此，一个反物质的世界如同沉睡千年的底下宫殿逐渐呈现在人 们眼前：年，反质子在美国的一家实验室中被发现，其后 人们又发现了反中子。到上个世纪年代，基本粒子中的反粒子 差不多全被人们找到了。,基本反粒子的发现,人类对反物质世界的探索,由于基本反粒子的成功发现，使得反物质的存在性大大增加，于是人们开始思索：如何得到反物质。迄今为止，人们已经多次证实了反物质的存在。首先人们开始合成基本反原子。直到年， 欧洲核子研究中心（）的科学家在世界上制成了第一批反 物质反氢原子。科学家利用加速器，将速度极高的负质子流射 向氙原子核，以制造反氢原子。由于负质子与氙原子核相撞后会产 生正电子，刚诞生的一个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个 负质子结合就会形成一个反氢原子。在累计小时的实验中，共记 录到个反氢原子存在的证据。由于这些反氢原子处在正物质的包 围之中。因此它们的寿命极短，平均寿命仅为纳秒（一亿分之 三秒）。年，美国费米国立加速器实验室成功制造了个 反氢原子。,反物质的进一步研究,目前人类已经能在实验室中成功制造正电子、负质子等反基本粒子已是轻而 易举，而将正电子与负质子组成反原子尚十分困难，因为将这两种 粒子结合在一起并且能证实它们结合成反原子的工作十分复杂，因 此科学家需要研制功能更强大的研究工具。而且，人们还有一个普 遍的疑问，那就是反物质如何能存储在物质的世界里？科学不是万能的，但真正的科学总是可以带来无限可能。,反物质研究最新进展,据新科学家杂志报道，欧洲核子中心的科学家杰拉尔德 加夫列尔瑟领导的一个科研小组，使用高能磁场捕捉在该中心粒子 加速器中实验得到的反质子，然后引入正电子流，并使用电场对其 减速，再使得两种粒子汇合在被称为“粒子陷阱”的结构中。由于 物质或者带有正电荷或者带有负电荷，因此它们可以被保存在具有 适当电磁场结构的“陷阱”中。之后科学家再将该粒子陷阱放置入 电场条件下，结果发现部分粒子出现无法移动的现象。科学家认为，这表示两种反粒子结合形成了中性的反氢原子。,加夫列尔瑟认为，“这种条件下很难认为没有反氢原子的存在”， 只是他们还不能确定具体存储了多少反氢原子。但他同时表示，希 望能够在该中心的粒子加速器恢复运转后，可以重复确认上述发现， 以期最终确证这一研究成果。如果上述实验结果最终得到证实，将 为人类在物质认知领域带来重大突破。,欧洲核子研究中心在英国自然上宣布已成功制造出约万个反氢原子，是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。,反物质应用前景,反物质飞船 利 用 反 物 质 推 动 下 一 代 太 空 船 只 需 要 六 星 期 便 可 以 到 达 火 星 。这 不 是 幻 想 ， 而 是 科 学 家 对 发 展 下 一 代 太 空 船 的 预 测 。 他 们 相 信 ， 假 使 利 用 反 物 质 推 动 太 空 船 ， 将 会 使 幻 想 成 真 。,科 学 家 所 构 思 的 反 物 质 推 动 太 空 船 。,探索宇宙,反物质武器,美国军方现在对研制以反物质作为弹药的“质子炸弹”表示出了浓厚的兴趣，并已在这方面投入了大量资金。美国空军实验室介绍称，这种反物