我们在日常生活中几乎是不可能接触到正负电子对撞后湮灭的景象,但是从高中时,物理老师可能就会给你普及这方面的姿势。所以,对于大多数人而言,正负电子对撞后湮灭是天经地义的事情。
那问题就来了,同样是基本粒子,正负电子可以湮灭,那光子的反物质是什么?它和它的反物质粒子可以湮灭吗?
质能等价
要了解这个问题,我们其实需要先深刻的理解一个科学理论,它的名字叫做质能等价理论。当然,更多的人对于这个理论中的那个方程更加熟悉,也就是大名鼎鼎的质能方程E=mc^2。
这个理论是爱因斯坦在1905年提出来的,在那一年他一共发表了四篇具有开创性的论文,分别是光电子假说(我们也称之为光电效应)、布朗运动的数学描述、狭义相对论以及狭义相对论的补充篇质能等价。
那这个质能等价到底是在说些什么呢?
其实我们常常会用到这个理论,尤其是很多人错误地把它当成是制造原子弹的理论。可实际上,质能方程只能解释原子弹威力为什么这么大,而不是用来指导科学家制造原子弹。原子弹的原理其实是核裂变,在1937年才由几位核物理学家提出来的。
这也不仅仅是关于质能方程的一个误区。更严重误区在于“转化”和“等价”的误解。很多人这么描述原子弹爆炸,他们觉得是原子弹(或者氢弹)爆炸后,质量转化成了能量然后释放出来。实际上,这是错误的。
我们要思考一下,质量实际上不是“东西”,或者说不是“物质”,它是物质的属性之一。所以,质量是附属于一个物质之中的。同样的能量是什么?
爱因斯坦在质能等价这篇文章当中是这么解释,他认为质量和能量是一码事,是一个物质的两个面,质量里有能量,能量里还有质量,所以他们不是转化关系,而是对应的关系,或者说等价关系。由于太多人把这里误解成了转化关系,因此,如今的大学物理教材在讲述这部分知识时,都会特意辟谣,强调这里是“等价”关系。而爱因斯坦的质能等价告诉我们一件事,m=E/C^2
知道了这些,我们再来看看正负电子的湮灭过程。我们知道,正负电子是对应着质量的。所以正负电子对撞后,他们湮灭得到的能量其实可以利用E=mc^2来进行等价。科学家在宇宙中也确实找到了正电子的痕迹。
那我们接下来看看光子的情况。
光子会湮灭吗?
实际上,光子的反粒子就是它本身。也就是说,如果按照正负电子的特性,一对光子对撞其实也应该发生湮灭。可我们要知道的是,正负电子对撞后,产生的是电磁波,当然,有些人还喜欢把这个东西叫做“纯能量”,而光子就归于这类的当中,那它应该咋转化呢?用什么理论来描述呢?
其实还是用爱因斯坦的质能方程。一对光子对撞之后,照理说应该是产生其他的基本粒子的,这里会涉及到能量等价于质量的过程。
但是具体要产生什么样子的基本粒子是不一定的,这要根据条件来看。当然,更多的,我们更常见的情况实际上是什么也没有发生,这是因为如今的温度很低很低,这个环境下的光子能量太低。
可能你并不能很好的理解,我们思考一下这个问题,质能方程是E=mc^2,如果我们进行简单地移项就会是m=E/c^2,其中c=3*10^8,c^2就是9*10^16,也就是说,光子要对撞出质量很小的基本粒子就需要相当大的能量。但日常生活中并不存在这么大能量的光子,因此,我们见不到这样的情况。
那具体要多少温度呢?
实际上科学家还真的计算过,科学家提出一个“阈值温度”的概念。他们认为在温度达到一定程度的环境下,光子对撞就可以合成基本粒子,多余的能量会转化为基本粒子的动能。
从表格中,我们可以知道,当温度达到60亿度左右时,一对光子可以对撞出一对正负电子。你可能要说了,宇宙哪可能会有这么高的温度?
实际上,还真的有过。如果我们知道,宇宙起源于138亿年前的一场大爆炸。大爆炸时,宇宙的温度是特别高,要远远高于60亿度,按照理论来看,当时的最高温度是1.4亿亿亿亿度(1.4*10^32度),然后随着宇宙的膨胀逐渐下降。其实这也解释了为什么宇宙起初都是电磁波,但后来会出现这么多的基本粒子,实际上都是在那个时候光子对撞而来的。
所以,光子是可以对撞的,对撞的结果和环境温度有关,在极其高温下是可以撞出基本粒子的。