福利 | ​“改写极限”的反物质，能被拿来利用吗？

反物质在理论上可以作为一种能源。正因为这样，又考虑到讨论这一问题的趣味性，我将在这里为这一问题留下一席之地。反物质的确是会“改写极限”的。假如反物质能够用于实际，也一定是在某个比我们更高级的文明中，对于我们人类而言，那还只是个白日梦。

没有什么—不论是反物质还是其他任何物质—是真正的能源，因为能量只能转化，不能产生和消灭。当你“消耗”能量时，你实际上是将它从一种较有用的形式转化为一种较无用的形式（并且通常还要为此付出代价）。不过称之为能源已是习以为常的了（也比较方便）。在日常应用中，一种能源要么存储能量（比如在汽油或者电池中—或者是在假想的反物质中），要么传送能量（比如太阳能或风能）。在各种物理概念中，能量是最多样的，因此在实际使用中存在大量各种不同的能量转化形式。

投入使用的能量或许只能存储很短的时间，甚至根本无法存储，比如驱动一艘帆船的风。也有可能可以存储几十年，比如壁炉中熊熊燃烧的木头中存储的能量。还有可能存储数百万年，比如火电厂中燃料煤所储存的能量。甚至于可能存储数十亿年，比如启动核反应的铀元素中的能量（最初源于很久以前的超新星爆发）。能量存储时限最长的要数为太阳提供动力的氢，从大爆炸之后不久的140亿年前就开始存储能量了。

由于氢是海水的主要成分，所以氢的化学能（与其核能相对）有时被称为是几乎取之不尽用之不竭的能源。但是实际上由于效率不足，从水中（或从碳氢化合物中）提炼氢所需要的能量要比氢燃烧或者氢燃料电池放出的能量还要多。氢是又一种存储和转化能量的途径，它很容易通过管道从一地输送到另一地，并且由此所造成的污染只限于制造地（这样便于控制），而不会在使用地造成污染，因而很有应用价值。

科幻小说中的反物质就如同真实世界中的氢一样，都可通过消耗一定能量从平常材料中获得，然后就是储藏、输送以及在所需要的地方转化成有用的能量形式。没有比反物质更有效的能“源”了，因此反物质自然成为进取号星舰的动力选择。当汽油在汽车引擎中燃烧时，汽油质量中不到十亿分之一的部分转化为能量。当铀核通过裂变驱动反应堆时，其质量中约千分之一的部分转化为能量。而如果用反物质和物质的湮灭去驱动进取号，反物质100%的质量都将转化为能量（如果包括湮灭物质的贡献在内那就是200%）。反豆荚中的一粒反豌豆释放出的能量相当于50万加仑的汽油释放出的能量—足以驱动1000辆车组成的车队行驶一年。一粒反豌豆在湮灭中放出的能量与1945年夷平广岛的核弹相当。

那么所有这些有多大可能性实现呢？有一种倾向认为，只要人类投入精力去实现，任何在理论上的可能在实际中迟早都会实现。在本例中，我认为这一设想永远不可能实现。存储反物质就具有不可逾越的困难。

反物质是1932年随着正电子的观测而发现的，反质子于1955年首次产生，反中子则是在1956年产生的。从那时起，反粒子就在高能加速器实验室中产生并进行研究了。不过始终都只是极少量，并且在这样的高能下不大可能形成反原子。位于瑞士的欧洲核子研究中心实验室的研究者们于2002年取得了巨大的进展，他们产生并存储了数百万反质子和数百万反电子（正电子），由此可形成数万个反氢原子，并可看到其中约一百个反氢原子的湮灭过程。正如你所猜测的，一个反氢原子由一个正的反电子围绕负的反质子组成。如果你想检验物质和反物质性质上的对称性，这是一个很有趣的研究项目，但不能作为实际的能源。在欧洲核子研究中心的实验中，带电反粒子（临时）储存在磁场中，从而不会与物质接触而发生湮灭。中性的反原子一旦形成，就会从磁场中逃逸并与容器壁发生湮灭反应。

一万个反氢原子听起来似乎很多，但对于实际使用能量而言，这就不算很多了。与一万个反氢原子具有相同势能的汽油少到不用显微镜都看不到。即便十亿个反氢原子全都湮灭，所提供的能量也只能驱动一辆汽车行驶千分之五英寸。要达到能量使用量，需要超过百亿亿（10¹⁸）个反氢原子。所以星舰战队从未展示过他们的燃料是如何存储的。

实际上有些事情在理论上是不可能发生的，比如你所处的房间中的空气分子“决定”向房间的某个部分聚集，让你因为空气稀薄而气喘吁吁。（假如你在室外读书，而你大脑附近的空气分子瞬间消失，同样也会导致你呼吸困难。）这样的事情是不会发生的。它们发生的可能性可以很容易计算出来，像这种分子聚集的情况在宇宙的寿命中一次都不会发生。与那些让你出现呼吸困难的统计起伏的可能性相比，我们人类解决存储方法并进而使用大量反物质的可能性并没有那么微乎其微。不过对我来说，这似乎还是不大可能。

大多数反粒子，与大多数粒子一样，都是不稳定的。也就是说，它们单独存在时都很容易湮灭而自发衰变成其他粒子。反中子、反λ子、反μ子等都是这样。在费米子中，只有反质子、反电子和反中微子是稳定的。反中微子无法囚禁，因此只剩下反质子和反电子是潜在的反物质能源。如果你喜欢奇思妙想，你可以说反中子可以与反质子一起形成反原子核从而稳定存在，这会导致形成一个反周期表。

宇宙中其他地方有没有反物质—甚至有没有反星系？不能完全排除这个可能性，但看起来似乎是不大可能的。如果有反物质区域，那么在宇宙中物质和反物质两部分之间就会存在边界地带，在这些边界地带迷失方向的电子和反电子将会相遇并且湮灭，从而产生具有特定能量—每个能量约为0.5兆电子伏特—的γ射线光子对，这种辐射尚未在星系际空间中探测到。（质子–反质子湮灭将产生很高能量的辐射，但由于它们出现在以π介子为媒介的能量范围，所以很难辨识出。）

不过即便没有“原生”反物质（大爆炸中遗留下来的），也会有一定数量的反物质在我们目前的宇宙中不断地通过一些高能过程而产生。有些反质子可在到达地球的宇宙射线中观测到，在我们所在星系的中心发射出的辐射中还可以看到正电子的湮灭辐射。

根据目前已被接受的理论，在大爆炸后第一个大约百万分之一秒，宇宙是由夸克、轻子和玻色子（包括光子）组成的浓稠热汤（“大漩涡”或许更贴切）。当宇宙演化达到百万分之一秒，或许稍有误差，温度降低到十万亿度左右时，夸克就三个一组地形成数量不等的质子和反质子（还有中子和反中子）。由于物质–反物质存在微小的不对称—1964年詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇发现电荷宇称不守恒—这些重子和反重子的数量并不相等，结果使得每十亿个反质子团附近都有十亿零一个质子。中子和反中子也一样不对称。此时膨胀中的宇宙冷却到大约一千亿度（在下一个约百分之一秒之内），湮灭吞噬了所有的反重子以及几乎所有重子。（当宇宙年龄大约为15秒时，许多较轻质量的正电子随后也消失了。）

今天包括星系、恒星、行星以及你和我的宇宙是由剩余的十亿分之一所组成的。目前宇宙中的光子数相当于每个质子对应十亿个光子，并且似乎包含的反质子数并不多，这一事实支持了这一理论。正如瓦尔·菲奇提出的，物质和反物质轻微的不对称正是我们存在于此的原因。