制造1克需要3万年,是人类飞出太阳系的希望,什么物质这么厉害?

星空承载梦想 2024-08-28 10:07:12
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现代科学认为,我们的宇宙诞生于138亿年前,当时有一颗奇点发生了爆炸,奇点是一个质量无限大、能量无限大、热量无限大、密度无限大、体积无限小的点,这个点爆炸以后,我们的宇宙快速的向四周膨胀,经过138亿年的时间,宇宙才膨胀成我们现在所看到的样子,宇宙中的天体都是在宇宙大爆炸之后形成的,地球就是太阳系中的一颗行星,在太阳系中一共有八大行星,它们分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,在海王星的外面还有一颗冥王星,曾经冥王星也属于一颗行星,但是后来科学家认为冥王星的体积和质量都太小了,于是将它踢出了行星的行列,在太阳系的八大行星当中,地球是唯一一颗诞生了生命的星球。

生命的出现给地球增添了很多色彩,尤其是人类出现以后,解开了地球上很多的奥秘,现在人类已经能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快,人类之所以能够有如此之快的发展速度,主要离不开地球资源,从能源方面来看,人类长期依赖化石燃料如煤炭、石油和天然气来满足能源需求,然而这种依赖不仅仅导致了资源逐渐减少,也造成了环境的污染,在矿产资源的利用上,各类金属矿石被开采和加工,用于制造各种工业产品和基础设施,但是过度开采可能导致矿产资源的枯竭,并对生态环境造成破坏,比如说土壤侵蚀、水资源污染等等。目前人类利用最多的就是煤炭资源、石油资源。在工业革命时期,煤炭成为主要的能源来源,用于驱动蒸汽机,推动了制造业和交通运输的发展。

石油燃料是交通运输的主要能源,比如说汽车、飞机、轮船等交通工具都需要用到石油,不过这些能源的转化率并不是很多,目前人类掌握的转化率比较高的技术是核裂变,现在人类已经清楚的了解核裂变的基本原理,即重原子核(如铀)在吸收一个中子后分裂成两个或者多个质量小的原子核,同时释放出两到三个中子和巨大的能量,核裂变技术被广泛应用于核电站,通过核裂变反应产生热量,进而推动汽轮机发电。与火电相比,核能发电不产生温室气体,但会产生具有放射性的核废料。基于核裂变原理制造出了原子弹等核武器,原子弹爆炸时会瞬间释放出巨大的能量,具有极强的破坏力。相比于核裂变的转化率,核聚变会更加强大一些。

目前人类所掌握的核聚变转化率大约是百分之7,质能转化率是指物质转化为能量的比例,比如说1千克物质经过核聚变,质量的百分之0.1,即0.007千克,会按照质能方程E=mc^2(其中E表示能量,m表示质量,c表示真空光速)转化为能量,相比之下,核裂变的质能转化率大约是百分之0.1,也就是说核聚变的质能转化率是核裂变的7倍。而传统能源如木柴的质能转化率约为0.000000013%,原煤约为0.000000023%,原油约为0.000000047%。核聚变的主要原料是氢的同位素氘或氚,在地球上储量丰富,例如海水中就含有大量的氘。且核聚变反应产物相对清洁,不会产生像核裂变那样的放射性污染和大量温室气体。但要实现可控核聚变并用于商业发电等应用,还面临诸多技术挑战。

虽然对于人类来说,可控核聚变技术已经足够人类现在的发展了,但是对于人类来说,核聚变并不是最完美的能源,很明显,如果能够实现百分之100的质能转化,就可以认为是最强大的能源,事实上,科学家已经发现有一种物质能够实现百分之百的质能转化,这种物质也因此被认为是人类未来飞出太阳系的希望,那么什么物质这么厉害呢?答案是反物质,我们常见的物质能够被称为是普通物质,它们其实都是由大量的微观粒子构成,比如说质子、中子、电子,这些粒子能够被称为是普通粒子,而反物质则是由反粒子组成的物质形式,每一种反粒子都对应一个普通粒子,比如说反质子对应质子,反中子对应中子,正电子对应电子,它们的质量、平均寿命、自旋以及磁矩大小都和普通的粒子相同。

所以当反物质和普通物质发生接触,就会产生湮灭,在这个过程中,所有参与湮灭的质量都会转化为能量,反物质概念是英国物理学家保罗.狄拉克最早提出的,在20世纪20年代末,狄拉克在进行一系列研究时,预言了每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子,例如,反电子其质量和电子完全相同,但携带的电荷正好相反,狄拉克的这一理论不仅仅是对当时物理界的一大挑战,更是对人类想象力的一次大胆的飞跃,到了1932年,美国物理学家卡尔.安德森在实验中证实了正电子的存在,随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子等反粒子,随着理论和实验的不断发展,人们逐渐认识到,不管自旋为多少,每一种粒子都有其对应的反粒子。既然反物质是真实存在的,那么人类如何利用反物质?

在上个世纪的时候,人类已经制造出了反物质,当时制造的反物质来自于粒子对撞机,其原理可以简单的概括为,先将微观粒子加速到接近光速,然后让它们相互碰撞,当碰撞发生的时候,能量会一个极小的空间内集中释放,创造出极高的温度和压力,在这种环境中,一部分能量可以转化为质量,产生等量的普通粒子和反粒子,在此之后,人类会利用磁场和电场将反粒子从其他次粒子中分裂出来,进而得到反物质,实际上,这种方法的效率是非常低的,人类通过粒子对撞机制造出来的反物质,总质量只有10纳克,1纳克等于0.000000001克,简单来说连烧开一壶热水的能量都不够,所以想要利用反物质,人类还需要继续努力才行,看到这里,可能有很多人会产生一个疑问,为什么我们不在宇宙中寻找反物质?

根据目前主流的宇宙大爆炸理论,在宇宙早期的时候,物质和反物质应该是一样多的,但是在某种未知的机制下,物质比反物质稍微多了一点点,就导致了我们现在看到的宇宙主要由物质构成,这里就需要说的杨振宁的宇宙不守恒定律,杨振宁教授是中国第一位获得物理学诺贝尔奖的人,在2021年的时候,他被授为感动中国年度人物,杨振宁最著名的理论就是宇称不守恒定律,这个定律告诉我们,镜子中的你和现实中的你是不一样的,相信我们很多人都有照镜子的习惯,我们经过会通过镜子来看自己的装扮漂不漂亮,但是大家在照镜子的时候有没有发现一个问题,就是镜子中的人和我们是相反的,当我们拿起左手的时候,镜子里的人拿起的是右手,当我们把头转向右边的时候,镜子里面的人会把头转向左边。

为什么镜子中的人会和我们做相反的动作?这个问题的答案就在宇称不守恒定律当中。在20世纪50年代,科学家发现了两种放射性的新介子,这两种介子的自旋、质量、寿命和电荷都是完全相同的,所以当时很多科学家认为这两种物质其实就是一种物质,不过科学家发现其中一个粒子衰变的时候会产生两个π介子,而另一个衰变能够产生三个π介子,这使得它们遵循不同的运动规律,杨振宁和李政道在深入研究后发现,这两个粒子是完全相同的一种粒子,它们被称为是k介子,在弱相互作用力下,它们的运动规律是完全不同的,宇称不守恒包括了分子、原子和基本粒子物理的一个基本实际意义,宇称不守恒并不是一个局部性的理论发展,对称性在20世纪物理学中很重要,特别是对相对论在时空对称方面取得了巨大的成就。

宇称不守恒定律告诉我们,宇宙中的正物质和反物质并不是一样多的,这就使得在我们在宇宙中无法找到反物质,如果说宇宙中的正物质和反物质是一样多的,那么宇宙可能就不存咋了,毕竟正物质和反物质相遇会产生湮灭,只有正物质比反物质多一点点,宇宙才能够正常的发展下去,除此之外,还有的科学家认为,在宇宙中的某一个区域内,可能存在一个反物质区域,或者说是反物质宇宙,虽然说目前并没有确凿的证据能够证明存在一个完全相反的物质宇宙,但是宇宙中确实存在反物质,从理论层面来说,现代物理学中的一些理论和方程允许反物质的存在,比如说在狄拉克方程中预言了反电子的存在,之后科学家们也在实验中陆续发现了正电子、反质子等反粒子。

如果说真的存在反物质宇宙,那么平行宇宙的理论就是正确的,相信很多人都听说过平行宇宙,它的提出者是著名的物理学家费曼的师弟,美国量子物理学家休.艾弗雷特三世,他被《科学美国人》称为是20世纪最重要的科学家之一,而平行宇宙的想法也和量子力学有一些关系,科学家认为,平行宇宙就是由宇宙大爆炸形成的,在大爆炸之后宇宙急速膨胀,这时候宇宙中出现了很多小泡泡的宇宙,这就类似我们吹泡泡一样,能够一下子吹出很多泡泡。这些泡泡就是所谓的平行宇宙。除了这个观点之外,科学家还提出了膜宇宙,膜理论跟之前大爆炸最不一样的地方在于,这个理论认为宇宙的边际是两张韧性非常厉害的膜。而我们的宇宙就是存在于两张膜之间的空间。

而这两张膜是被一种目前我们还不明白的力量拉扯着往外扩张,通过观察恒星之间的距离就不难发现,恒星之间的距离确实在越变越远。我们的宇宙是两张膜之间的空间,并且正在扩张。关于平行宇宙的说法在科学界有很多种,如果说平行宇宙是真实的,那么我们每一个人的人生都可能有无数种可能,比如说在我们的世界中,你可能是一名警察,但是在另一个平行宇宙中,你可能是一名老师,也可能是一名医生,简单来说就是你的人生有无数种可能性,而且不同的平行宇宙规律也可能是不同的,在我们这个宇宙中,物质都是正物质,在另一个平行宇宙中,所有的物质可能都是反物质。只不过现在科学家也在积极的研究和探索平行宇宙的奥秘,如果说人类能够找到入口,或许能够进入平行宇宙。

小编认为,人类既然能够成为地球上最有智慧的生命,就说明人类科技发展的速度是很快的,关于反物质和平行宇宙的理论,目前科学家也在积极的研究当中,尽管人类现在还无法利用反物质作为能源,但是从长远的角度来看,反物质依然是人类飞出太阳系的希望,相信未来随着人类科技的不断进步,人类对反物质的了解将会变得越来越多,到时候我们或许能够找到更多的反物质,利用反物质提升飞船的速度,能够大幅度的提升飞船的速度,小编希望人类能够早日实现自己的梦想,能够彻底的利用宇宙中的各种物质,希望这一天能够早日到来,对此大家有什么想说的吗?

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星空承载梦想

简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章