地球上的反物質比你想像中的多!香蕉上的鉀,平均每天會產生 19 顆「正電子」

在可觀測的宇宙中,質子、中子、電子是組成物質的 3 大粒子(再拆解的話還有夸克、輕子,本篇不討論);以帶電性來說,質子帶正電,電子帶負電,而中子不帶電。而相對於物質,另一種叫「反物質」,帶電性和物質完全相反:反質子帶負電,而正電子帶正電。當反物質與物質接觸,兩者就會消失;而消失的質量就會遵守愛因斯坦的質能互換公式 E = mc^2 化為能量。

在日常生活中,物質佔絕大多數,因此反物質會給人一種神祕、遙遠的感覺。但反物質不是在遙遠宇宙的另一端才有,地球上也很常見,只不過量實在太稀少了,所以我們感覺不到。

其中一個有反物質的東西就是「香蕉」。

一根香蕉平均每天會產生 19 顆正電子

根據科學家的觀察,一根香蕉平均 每 75 分鐘會產生一顆正電子 ,一天就會產生 19 顆正電子,因為香蕉含有微量的鉀 40,它們進行 β+ 衰變的時候就會釋放出正電子。除了香蕉,其他含有鉀的食物也會有鉀 40,因此它們也會產生正電子。

只不過這些正電子出現之後,就會跟其他電子交互作用而「消失」,所以人類無法保存它們。而它們消失之後,損失的質量就會根據 E = mc^2 轉成能量,這也是核彈爆炸、恆星發光的原理;但香蕉產生的正電子相當稀少,因此產生的能量非常低,我們也不會一直在日常生活中經歷「核爆」。

除了香蕉,醫學上用來檢測癌症的「正子斷層造影」(PET)也是使用反物質的原理。儀器產生正電子,正電子跟人體的物質接觸而消失,產生伽馬射線,醫生就透過這些伽馬射線,查看病患的身體狀況。

地球的磁場也會捕捉宇宙的反物質,科學家曾經在范艾倫帶發現反質子。

科學家在 80 年前就已經發現反物質

人類史上最先「算出」反物質的科學家是狄拉克。1928 年,他在計算量子力學的方程式時發現 兩個解 ,如同 x^2 = 4 會有 2 和 -2 兩個解,其中一個解就是宇宙常見的「物質」。但狄拉克沒有排除另一個解,保留「反物質」存在的可能性。

1932 年,美國物理學家 Carl Anderson 在雲室裡拍到正電子的照片,證實了反物質的存在。

雖然科學家 80 年前就發現反物質,它們在地球上也很常見,但數量稀少,而且與物質接觸之後就會消失,直到 2010 年,科學家才成功捕捉到反物質。

生產反物質超貴,保存反物質更是天價

在瑞士日內瓦,有個專門製造反氫(氫的反物質)的工廠。科學家使用質子同步加速器,把質子加到一定速度後與金屬相撞產生反質子,接著再用磁場過濾出反質子,並將它們減速;最後,讓減速後的反質子與正電子結合,產生反氫。

製造反物質需要大量經費。根據 NASA 在 1999 年的估算,製造一公克的反物質,需要耗費 6.25 x 10^13 美元的成本,也就是 62.5 兆美元(約新台幣 1900 兆元),而台灣的 GDP 每年也才 17.8 兆 。也就是說,製造一公克的反物質,需要台灣超過 100 年的 GDP 才辦的到。

製造反物質是極端高價,而儲存反物質更是天價,還要消耗大量的電力。對於帶電的反物質(反質子、正電子),科學家可以用磁場保存它們;對於不帶電的反物質(反氫),科學家則用 Ioffe-Pritchard 陷阱保存。根據科學家在 2015 年的計算,儲存 1 公克的反物質需要 2.5 x 10^16 KWh 的能量,若根據台灣在 2018 年的總發電量 273,601 GWh 來推算的話,那需要 10 萬個台灣同時發電,才可以儲存 1 公克的反物質。

歐洲核子研究組織(CERN)在 2018 年表示,成功在 6K(攝氏零下 267 度)的真空中,儲存了幾顆反質子 1 年,並聲稱這些反質子是「宇宙中最長壽的反物質」。

反物質在地球上並不稀有,科學上也可以人工生產,但生產、保存反物質都需要大量的經費和能源。或許一些人會覺得,與其花這些錢研究反物質,還不如把它用在更實際的地方,但將經費投資在基礎科學研究,不僅培養國家戰略實力,還能帶動科技的發展;從精神層面上來看,則讓人類更了解宇宙的結構,滿足人類求知慾,也教導人類謙卑,畢竟在宇宙中,人類真的很微小,懂的東西實在是太少了。

參考資料來源:
1.《symmetry》:〈Ten things you might not know about antimatter
2.《The Telegraph》:〈The most valuable substances in the world by weight
3.《CERN》:〈Antimatter
4.《把科學帶回家》:〈1 克万亿美金的“物质”,不能摸,但可以装起来
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Pixabay CC Licensed)

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