反物質(Antimatter)

反物質(Antimatter)
國立臺灣大學電機工程學系96級戴伃芸/國立臺灣大學化學系鄭原忠助理教授責任編輯

科學家利用美國國家航空暨太空總署的費米伽瑪射線太空望遠鏡（NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope）在雷電風暴上方發現反物質束，締造首次地球上，反物質在自然狀態下出現的記錄。(圖片來原：NASA)

在粒子物理學中，反物質是指由反粒子(Antiparticle) 所組成的物質。多數的基本粒子都有其對應的反物質粒子，也就是所謂的反粒子。相對應的粒子和反粒子的質量、生命期、自旋等性質相同；但電荷、磁矩等性質則相反。 反粒子構成反物質，就和基本粒子組成一般物質的方式一樣；舉例來說，反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子；一個反質子和反電子結合就會形成反氫原子。

現代反物質的概念是由英國物理學家狄拉克(P.A.M. Dirac)在他的空穴理論(Hole theory)中首先提出的。他在一九二八年提出符合狹義相對論要求的電子量子狄拉克方程式(Dirac Equation)，該方程式預測了反電子(positron)的存在。1932年，安德森(Carl Anderson)在宇宙射線中發現一種帶有和電子電量相同的正電荷，但其質量遠小於質子質量的粒子，之後證明即為狄拉克所預言的反電子，自此反物質的存在因而確立。

反物質和物質一旦相遇，便會相互吸引、碰撞而將質量全部轉化為光並釋放出的巨大的能量，這個過程稱作湮滅。根據愛因斯坦的質能互換公式(Mass–energy equivalence)：$$E=mc^2$$，少量的物質與反物質湮滅後可完全轉換成大量能量，或在某些狀況下轉變成具高速運動之較輕粒子。故正反粒子的湮滅可帶來最大的能源效率，且單位產量是核能的千百倍或常規燃料的億兆倍。反物質發現以來，不少人便寄望其能解決目前人類所面臨的能源危機，或是利用正反物質來做太空船的能量來源，甚至拿來製造反物質武器。

然而目前科學家無法在宇宙間直接觀測並收集到反物質，只能利用高能物理的正負粒子對撞機，模擬宇宙初始大爆炸(Big bang)的情形，觀測並證實的確有反粒子存在。所以目前人為收集反物質的方式，是由從高能粒子加速器中產生反粒子，減速後再用磁場束縛起來。此過程所需要的能量以及資源消耗遠大於湮滅作用所放出的能量，同時用高速粒子對撞生成反物質的效率極低，因此尚不具有經濟價值。除此之外，不帶電的反物質無法以磁場束縛，故無法保存。

此外，反物質也有醫療上的應用。正子斷層掃描(Positron emission tomography)為人類提供三維的和功能運作的圖像，在癌症臨床醫學影像 和癌擴散方面的研究大有貢獻。該儀器利用放射性元素衰變時所放出的正電子，觀測其與生物體中的電子湮滅時產生的光子，經電腦分析後成像。目前臨床上正子斷層掃描往往與電腦斷層掃描同時使用，達成最佳的掃描效果。

參考資料：
1. Wikipedia– Antimatter http://en.wikipedia.org/wiki/Antimatter