宇宙中的完美能源,核聚變在它面前就是渣渣,它是怎麼被發現的?

DoveMiao 2020/05/16 檢舉

人類的夢想是星辰大海,要實現這個夢想,我們就需要強大的能源。就目前來看,離我們最近的強大能源就是核聚變了,需要說明的是,這種能源並不完美,即使以後人類掌握了可控核聚變的技術,也只能將核燃料的大約0.7%的品質轉換成能量。

那還有沒有更強大的能源呢?答案是肯定的,科學家早已發現,宇宙中存在著一種特殊的物質——反物質,這種物質能夠與普通物質發生湮滅,並且將自身的品質全部轉化為能量。

我們可以看到,反物質這種能源的效率是核聚變的大約143倍,而由於它的質能轉換率已經到達極限100%),因此可以說,反物質才是宇宙中的完美能源,而核聚變在它面前就是渣渣。假如人類未來的太空船能夠使用反物質能源,那進行跨越星際的飛行將不再是夢想。

相信大家一定會好奇,為什麼反物質遇到普通物質就會湮滅,原理是什麼呢?我們不妨先來瞭解一下它是怎麼被發現的。

從古到今,人們一直在苦苦探索我們的世界到底是由什麼組成的,起初人們認為這種東西是原子,然後人們又發現了原子並非物質的最小單位,再然後人們發明了粒子對撞機,從此擁有了撬開原子核的實力,經過多年的研究,科學家發現了大量的微觀粒子,在對其進行分類之後,於是我們就有了粒子物理學的標準模型。

科學家認為,我們的世界就是由許許多多的這樣的基本粒子所構成,為了研究這些微觀粒子的規律,量子力學應運而生。在量子力學中,有一個基本的方程式——薛定諤方程,利用這個方程式,人們就可以計算出微觀系統的具體性質,然而這個方程式並不完美,因為它並沒有考慮相對論。

想像一下,對於真空中的兩束方向相反的光線而言,它們的相對速度會是多少?根據常識來說,我們會理所當然地認為,它們的相對速度是兩倍光速。但事實並不是這樣,早在1887年,著名的邁克爾遜-莫雷實驗就證實了一個奇怪的現象,那就是對於一個觀察者來說,無論他處於哪種參考系,他觀察到的真空中的光速都是不變的。

也就是說,這兩束方向相反的光線的相對速度依然是光速,這個現象雖然很反直覺,但卻是真實存在的。對此,愛因斯坦在相對論中指出,物體的相對運動速度並不是簡單地疊加,而應該通過公式 V = (v1 + v2)/(1 + v1v2/c^2)來計算(注:v1、v2分別代表兩個物體的速度,c代表光速)。

我們可以看到,利用該公式計算出的結果與實際情況相符,我們還可以看到,在低速的情況下,將物體的運動速度進行簡單地疊加所得出的結果,也不會出現太大的偏差,但在高速的情況下,就必須要考慮相對論了。

需要指出的是,在微觀世界中,各種基本粒子的速度是相當快的,比如說電子在原子內部空間運動的時候,其速度常常可達到每秒數千公里,而如果電子得到了足夠的能量,它的速度甚至可以達到光速的99%以上,因此可以說,要計算出微觀系統的運動規律,就必須得將相對論也考慮進去。

1928年,物理學家狄拉克在薛定諤方程的基礎上引入了相對論,提出了著名的狄拉克方程,完美地解決了這個問題。但新的問題很快就出現了,因為人們在解狄拉克方程的時候,發現電子居然可以存在負能級。

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