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什么是反物質(zhì)?如果物質(zhì)和反物質(zhì)相互作用會發(fā)生什么?反物質(zhì)是如何發(fā)現(xiàn)的?為什么我們在日常生活中不經(jīng)常遇到反物質(zhì)呢?當(dāng)你想到反物質(zhì)的時候，所有這些問題以及更多的問題都會浮現(xiàn)在你的腦海中。但是，首先要做的事!讓我們首先定義并理解什么是反物質(zhì)。

從字面上講，反物質(zhì)與物質(zhì)是相反的。對于每一個亞原子粒子，如電子、質(zhì)子、中子等，都存在著反電子、反質(zhì)子、反中子等反粒子。反粒子的質(zhì)量與粒子相同，但其電荷和其他量子數(shù)的符號不同。其中一些量子數(shù)是輕子數(shù)，一個是電子，另外五個是輕子家族的成員，重子數(shù)是重子家族的六個夸克的三分之一。反粒子與其他反粒子的相互作用方式與普通粒子相互作用的方式完全相同。當(dāng)涉及到物質(zhì)和反物質(zhì)時，物理定律是(幾乎)對稱的。事實(shí)上，一個由反物質(zhì)組成的宇宙與我們的宇宙是無法區(qū)分的!

再詳細(xì)一點(diǎn)，反電子被稱為正電子，它帶正電荷，輕子數(shù)為-1。正電子的質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量完全相同。質(zhì)子是一個帶正電的亞原子粒子，由三個夸克組成，重子數(shù)為1。它的反粒子，即反質(zhì)子，質(zhì)量與質(zhì)子相同，但帶負(fù)電荷的重子數(shù)為負(fù)1(構(gòu)成反質(zhì)子的三個反質(zhì)子中的每一個負(fù)1/3)。中性亞原子粒子，比如中子，很有趣。反中子與中子具有相同的質(zhì)量和零電荷，但它的重子數(shù)為負(fù)1(同樣，負(fù)1/3來自構(gòu)成反中子的三個反夸克中的每一個)。

那么當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相互作用時會發(fā)生什么呢?答案是焰火!當(dāng)一個正電子和一個電子相互作用時，它們都會湮滅產(chǎn)生兩個X射線能量光子!所以，我們很幸運(yùn)，現(xiàn)在宇宙中的反物質(zhì)是如此稀少。否則，每次物質(zhì)和反物質(zhì)相互作用時，我們都會被X射線和伽馬射線灼傷。事實(shí)上，如果你遇到你的反自我，那么你們兩個都會毀滅并釋放大約2500兆噸的當(dāng)量能量，幾乎是世界核武器庫總能量的三分之一!如果你能找到一種方法產(chǎn)生宏觀數(shù)量的反物質(zhì)和一種方法存儲在孤立!一些現(xiàn)代粒子加速器經(jīng)常產(chǎn)生用于高能物理實(shí)驗(yàn)的反質(zhì)子。

既然我們知道什么是反物質(zhì)，讓我們看看物理學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)的。早在1928年，保羅狄拉克，量子力學(xué)新科學(xué)的奠基人之一，試圖解決一個方程，其中包括狹義相對論的影響，以描述微觀世界中電子的行為。令他驚訝的是，這個方程承認(rèn)了對應(yīng)于負(fù)能量的電子的解會回到原來的時間!任何一個沒有安全感的物理系學(xué)生都會因?qū)擂味樇t，重新計(jì)算數(shù)學(xué)。然而，狄拉克對他的數(shù)學(xué)很有把握。相反，他重新解釋了他的有問題的解決方案，用正能量來表示“反電子”。四年后，一位名叫卡爾·安德森的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家通過觀察反電子正電子證明了狄拉克的正確性。正電子的發(fā)現(xiàn)為安德森贏得了1936年的諾貝爾獎。狄拉克因?qū)υ游锢韺W(xué)的貢獻(xiàn)而在1933年獲得諾貝爾獎。你想知道安德森的正電子是從哪里來的嗎?安德森發(fā)現(xiàn)的正電子起源于大氣中亞原子粒子的簇射，這種簇射是非常高能宇宙射線(主要是質(zhì)子)與地球大氣中原子相互作用的結(jié)果。

正電子的預(yù)言和隨后的發(fā)現(xiàn)的故事是有啟發(fā)性的，它顯示了物理學(xué)中的重大發(fā)現(xiàn)是如何經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)的。安德森使用的裝置被稱為云室，是當(dāng)時核物理實(shí)驗(yàn)室使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器。粒子穿過云室后會留下氣泡的痕跡。施加一個已知的磁場會使粒子根據(jù)其電荷彎曲。

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