能量在什么条件下会转换成物质?为什么?
可以,但它需要和它的兄弟——反物质相遇。关于反物质,有件很神秘的事:它的实际存在量比理论上要少得多。让我们先看一个迄今最著名的物理学方程:E=mc^2。它主要是说,质量是浓缩的能量,质量和能量可以互相转化,就像两种汇率差距巨大的货币。1克质量相当于90万亿焦耳的能量。但我具体该如何将能量转化为质量?关键是:能量密度。
如果你在一个狭小的空间中浓缩一大股能量,新的粒子就会产生。如果研究地更仔细些,我们就会发现,这些粒子总是成对出现,就像双胞胎。这是因为,粒子都有个副本,也就是反粒子,正反粒子的产生总是精确的1比1。
这听起来很科幻,但却是粒子加速器中的日常。欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机中,两个质子相撞,每秒能产生数十亿粒子和反粒子。拿电子举个例子:电子的质量很小,带负电荷。它的反粒子,正电子,与它质量完全相等,但是带正电荷。不过除了电荷相反,两种粒子完全相同,也都非常稳定。比它们更重的粒子,质子和反质子,也是如此。
(图解:反物质被认为是一种由“反原子”组成,其中“反质子”和“反中子”会组成原子核,正电子则围绕在原子核周围;图源:nuclear-power)
科学家因此相信,反物质的世界看起来、摸起来、闻起来都和我们的世界一样。在反世界中,也许有反水、反金,还有,比如反大理石。想象一下,大理石和反大理石被放在一起。这两块看起来很稳定的东西将会完全消失,变成一大波能量。和原子弹爆炸相似。由于物质和反物质相遇能释放这么多能量,科幻小说中常常出现控制反物质中的能量,比如,用来驱动《星际迷航》中的飞船。
(图解:星际迷航里的飞船;图源:Vocal)
毕竟,反物质中的能量比常规燃料高了十亿倍。1克反物质的能量就足以让一辆车绕地球1000圈,或者把航天飞机送入轨道。那我们怎么还不用反物质来制造能量?因为反物质并不是随处可见,任由我们丰收。烧反物质前,我们必须先制造它们,而目前制造反物质消耗的能量比烧它们能得到的,多十亿倍。
但如果宇宙中就有反物质,而且有一天能被我们从某处的反行星上开采出来。几十年前,很多科学家相信,这的确是可能的。如今,观察发现,可见宇宙中,哪里都没有可观的反物质储备。
听起来很古怪,因为如之前所言,宇宙中,反物质应该和物质一样多。而反粒子和粒子应该以同等数量存在,那反物质去哪了呢?现在这真的是个迷。为了明白可能发生了什么,我们必须回头看看大爆炸。在宇宙产生的那一刻,巨大的能量被转化成了物质,而初始宇宙
包含了等量的物质和反物质。但一秒钟后,大部分物质和所有反物质同归于尽了,这带来了大量辐射,至今仍可观测到。初始物质中,只有十亿分之一留了下来,反物质则消失殆尽。你也许会说:“不对,等一下!为什么所有反物质都消失了,却有物质留下?”我们似乎很幸运,因为物质和反物质中,有一点点不对称。否则,宇宙中,就完全不会有任何粒子了,人类也就不会出现。