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從"天使與魔鬼"來看科學02:反物質粒子

國物理學家保羅·狄拉克提出了電子的相對論方程式,即狄拉克方程。有趣的是,等式中發現除了一般正能量之外的負能量結果。這顯示出一個問題,當電子趨向於朝著最低可能的能階躍遷時;負無限大的能量是毫無意義的。但為了要彌補這條件,狄拉克提出真空狀態中是充滿了負能量電子的「海」,稱作狄拉克之海。任何真實的電子因此會填補這些海中具有正能量的部分。

衍伸這個想法,狄拉克發現海中的這些「洞」則具有正電荷。起初他認為這是質子,但Hermann Weyl指出這些洞應該是具有和電子相同的質量。1932年由美國物理學家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在。反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子。

反物質和物質一旦相遇,就相互吸引、碰撞而100%轉化為光並釋放出的巨大的能量,這個過程叫做湮滅。湮滅過程會釋放出正、反物質中蘊涵的所有靜質量能,根據愛因斯坦著名的質能關係式: E=MC^2 (M:質量, C=3x10^8 m/s, 真空光速),一種在科學界受到普遍認同的理論認為,宇宙大爆炸早期曾產生了數量相當的物質和反物質,隨後發生的物質和反物質的湮滅消耗掉了絕大部分的正、反物質,遺留下的少部分正物質構成了現如今的物質世界。理論上宇宙大爆炸時所產生的粒子與反粒子應該數量相同,但是為什麼現今所遺留下來的絕大多數都是正粒子,這即所謂的「正反物質對稱性破壞」(對稱破缺),雖然在幾個粒子對撞試驗中,都發現了正粒子與反粒子的衰變略有不同,及所謂的電荷宇稱不守恆(CP破壞),但在數量上仍不足以解釋為何現今反物質消失的問題,這在粒子物理學上仍是一大未解決的問題。

所以當反氫原子與氫原子碰撞而湮滅時,以1g的反氫原子與1g的氫原子來計算的話,應會產生的能量大小有 E=0.002 x 9 x 10^16 J=1.8 x 10^14 J的能量!

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