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基本粒子的世界中发生着惊人的过程。最令人印象深刻的现象之一是湮灭,即物质和反物质转化为纯能量。
粒子和反粒子我们世界中的每个粒子都有自己的反粒子——带有相反电荷的精确副本。电子遇到正电子,质子遇到反质子,中子*遇到反中子。反粒子是普通粒子的一种“镜像”。她有:
质量相同;
相同的旋转;
生命的同一时间;
但电荷相反。
*中子和反中子是不带电荷但具有相反值的粒子:
重子数(+1/-1),就像“护照”一样,决定了粒子在物质或反物质世界中的“公民身份”;
磁矩;
夸克成分(udd/ūd̄d̄)。
当粒子和反粒子碰撞时,会发生完全的相互湮灭,并且它们的全部质量都转化为能量。
最简单且研究最充分的情况是电子和正电子的相遇。碰撞的一瞬间,粒子消失,变成两个向相反方向飞行的光子。每个光子携带 511 千电子伏 (keV) 的能量,恰好是原始粒子对总静止能量的一半。
宇宙的伟大奥秘湮灭遵循爱因斯坦著名的公式 E=mc²,是科学已知的将质量转化为能量的最有效过程。
值得注意的是,湮灭不仅仅是一个理论概念。它在太空中不断发生,超新星爆炸期间、脉冲星和黑洞附近,以及宇宙射线与星际气体和宇宙尘埃原子碰撞时,都会产生反粒子。
湮灭不仅仅是一种仅限于空间的现象。人类正在积极探索如何利用这一过程来达到自己的目的。例如,医学上的正电子发射断层扫描(PET)是获得内脏器官详细图像所必需的,它就是基于湮没机制。
根据现代理论,在早期宇宙中,物质的数量仅略高于反物质的数量——大约十亿分之一。然而,今天可见的宇宙几乎完全由普通物质组成。这是现代物理学最大的谜团之一,被称为“宇宙重子不对称问题”。
对湮灭过程的研究仍在继续,因为它们可以为基本问题提供答案:为什么我们的宇宙由物质而不是反物质组成,以及它的存在如何成为可能。