在科幻電影和小說中， 常常出現反物質武器和反物質空間等概念，甚至被用作星際飛船的超級燃料。 它的能量超乎人們的想象。一克反物質釋放的能量就相當於兩顆廣導原子彈。10克的反物質推力就能讓飛船一個月到達火星。然而，反物質的制造成本也是天文數碼，據估算，一克反物質的造價高達上百萬億美元。為什麽反物質會有如此巨大的能量？又是什麽原因導致了它的生產成本如此昂貴呢？本期內容我們就來聊聊反物質。
反物質的研究 要從英國物理學家保羅·狄拉克談起，在微觀世界中，粒子的位置只能用概率來描述，而描述這種概率的方程式就是薛定諤方程式。薛定諤方程式雖然很好，但是在描述高速運動的粒子時會出現問題，為了解決這一問題，狄拉克在1929年引入了相對論，建立了狄拉克方程式。 這一方程式在科學界引發了廣泛的討論和質疑。狄拉克方程式在求解過程中，意外地出現了負能階的電子，這在當時引起了不小的困惑。根據傳統的理解，電子具有不同的能階，最低的能階為基態，其上還有可能存在的第一激發態、第二激發態等。但負能階是什麽？這是與常識相悖的。 狄拉克最終解釋道：負能階帶有正電，因為它們已經被帶負電的電子填滿了，所以電子無法躍遷到負能階，因此我們也意識不到它們的存在。這片由負能階和電子組成的區域就是我們所說的「真空」。 透過這一理論，狄拉克不僅成功解釋了負能階的問題，還預言了電子的反粒子——正電子的存在。
1931年，狄拉克在這一基礎上進一步提出了更加激動人心的預言：不僅電子有反粒子，質子和其他粒子也應該有相應的反粒子。如果每一種粒子都有一個對應的反粒子，那麽就可能存在完全由反粒子組成的物質，這種物質便是我們現在所稱的「反物質」。這是人類第一次在理論上意識到反物質的可能存在。狄拉克的預言並沒有停留在理論層面，很快得到了實驗的驗證。1932年，美國物理學家卡爾·安德森在利用「韋遜雲室」觀測宇宙射線時，意外地發現了一種帶正電的電子。他將這種粒子命名為「正電子」，這是人類首次在實驗中發現反粒子。這一發現為狄拉克的理論提供了有力的支持。隨後，反物質研究的步伐繼續向前邁進。1955年，意大利物理學家埃米利奧·塞格雷和美國物理學家艾榮·張伯倫透過實驗發現了反質子，僅僅一年之後，美國物理學家歐内斯特·考克斯再次在實驗中發現了反中子。這些發現使得科學家們逐漸認識到，所有已知的微觀粒子都可能有相應的反粒子。經過幾十年的努力，1995年，歐洲核子研究中心（CERN）的華瑟·奧勒爾帶領的研究團隊成功制造出了反氫原子。這一突破性的成就標誌著人類首次掌握了制造反物質的能力。
在物理學中，「守恒」是一個至關重要的概念。自從愛因斯坦提出狹義相對論並推匯出著名的質能方程式 E=mc2後，如何將盡可能多的質素「引出來」，轉化為能量釋放出去，成為了物理學研究的一個熱門領域。科學家們基於愛因斯坦的能量守恒公式，成功研制出了原子彈和氫彈。盡管這些武器的威力已經震撼了世界，但它們的能量轉化率卻並不高——原子彈的核分裂能量釋放轉化率僅為0.135%，氫彈的核聚變轉化率也不過0.7%。由於能量轉化效率低，科學家們開始將目光轉向了一種更為極端的能量來源——反物質。反物質可以簡單地理解為正常物質的映像，兩者之間存在一種極為重要的特性：當反物質與物質相遇時，它們會發生湮滅，並釋放出巨大的能量。正反物質的湮滅過程與核分裂或核聚變有著根本的不同。
正反物質在湮滅後，不會生成任何新的物質元素，而是直接轉化為兩個不具備質素的光子，這意味著兩種物質的全部質素都會轉化為能量釋放出去。正是因為這一點，反物質湮滅所釋放的能量遠遠超過了核分裂和核聚變。根據質能方程式E=mc2，如果一克反物質脫離磁束縛與普通物質發生接觸，那麽這克反物質會與一克普通物質發生湮滅。這一過程將轉化兩克物質的全部質素為純能量釋放，所產生的能量相當於約4.3萬噸TNT爆炸的威力，簡而言之，一克反物質的威力相當於兩顆廣島原子彈。這樣的能量到底是什麽概念呢？想象一下，一座中等規模的城市在瞬間被摧毀，這就是一克反物質湮滅所能造成的淪陷性威力。而且，反物質湮滅不同於原子彈爆炸，它不會產生任何有害的輻射。這一特性使得反物質成為一種比核能更為理想的能源物質。
為了揭開反物質的神秘面紗，科學家們投入了巨大的資源和精力，發明了造價高達數千億的粒子對撞機。這種裝置的主要用途之一就是在極高能量的碰撞中收集和研究「反物質」。目前，物理學家們已經能夠在實驗室中成功制造出如正電子、反質子等基本反粒子，但除了反氫原子外，對於其他構成反物質的反原子和反分子，我們依然所知甚少，甚至一無所獲。截至目前，美國費米實驗室透過多年努力所制造的所有反質子加起來僅不到15毫微克，而歐洲粒子物理研究所作為世界上最大的粒子物理研究中心，所創造出的所有反物質也不過一毫微克。這些數碼讓人清楚地認識到，以現有的技術水平，要想得到一克反物質幾乎是天方夜譚。即便是用當今世界最大的粒子對撞機——大型強子對撞機，也需要數百萬年的持續對撞才能達到這一目標。反物質不僅制造困難，儲存更是難上加難。
與普通物質不同，反物質在與普通物質接觸時會立即發生湮滅反應，產生巨大的能量並隨之消失。這意味著，即使我們有能力大規模制造反物質，如何安全有效地儲存它們仍是一個巨大的挑戰。然而，科學家們並未止步不前，透過持續研究，他們發現利用磁場幹預可以顯著延長反物質的存在時間。從最初的幾微秒延長至了約0.17秒，雖然這個時間在我們看來依然非常短暫，但對於科學家來說，這已經是巨大的進步。盡管科學家們在反物質研究方面已經取得了初步成果，但要徹底掌握這種能源，人類還有很長的路要走。由於反物質極為稀有，其市場價格一度高達100萬億美元一克。盡管經過幾年的科技進步，反物質的制作成本有所下降，但目前仍高達約62.5萬億美元一克。這樣的天價使得反物質幾乎不可能被私人擁有，只能由國家嚴格控制。對於人類來說，這或許是一種幸運。反物質作為一種潛在的超級能源，盡管前景廣闊，但其巨大的破壞力也不容小覷。關於反物質，你們有什麽不一樣的想法和看法呢？歡迎大家踴躍討論，感謝大家觀看，我是探索宇宙，我們下期再見。
