地球上的反物質比你想像中的多！香蕉上的鉀，平均每天會產生 19 顆「正電子」
Posted on2019/11/26郭家宏 郭家宏
在可觀測的宇宙中，質子、中子、電子是組成物質的 3 大粒子（再拆解的話還有夸克、輕子，本篇不討論）；以帶電性來說，質子帶正電，電子帶負電，而中子不帶電。而相對於物質，另一種叫「反物質」，帶電性和物質完全相反：反質子帶負電，而正電子帶正電。當反物質與物質接觸，兩者就會消失；而消失的質量就會遵守愛因斯坦的質能互換公式 E = mc^2 化為能量。
在日常生活中，物質佔絕大多數，因此反物質會給人一種神祕、遙遠的感覺。但反物質不是在遙遠宇宙的另一端才有，地球上也很常見，只不過量實在太稀少了，所以我們感覺不到。
其中一個有反物質的東西就是「香蕉」。
一根香蕉平均每天會產生 19 顆正電子
根據科學家的觀察，一根香蕉平均 每 75 分鐘會產生一顆正電子 ，一天就會產生 19 顆正電子，因為香蕉含有微量的鉀 40，它們進行 β+ 衰變的時候就會釋放出正電子。除了香蕉，其他含有鉀的食物也會有鉀 40，因此它們也會產生正電子。
只不過這些正電子出現之後，就會跟其他電子交互作用而「消失」，所以人類無法保存它們。而它們消失之後，損失的質量就會根據 E = mc^2 轉成能量，這也是核彈爆炸、恆星發光的原理；但香蕉產生的正電子相當稀少，因此產生的能量非常低，我們也不會一直在日常生活中經歷「核爆」。
除了香蕉，醫學上用來檢測癌症的「正子斷層造影」（PET）也是使用反物質的原理。儀器產生正電子，正電子跟人體的物質接觸而消失，產生伽馬射線，醫生就透過這些伽馬射線，查看病患的身體狀況。
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地球的磁場也會捕捉宇宙的反物質，科學家曾經在范艾倫帶發現反質子。
科學家在 80 年前就已經發現反物質
人類史上最先「算出」反物質的科學家是狄拉克。1928 年，他在計算量子力學的方程式時發現 兩個解 ，如同 x^2 = 4 會有 2 和 -2 兩個解，其中一個解就是宇宙常見的「物質」。但狄拉克沒有排除另一個解，保留「反物質」存在的可能性。
1932 年，美國物理學家 Carl Anderson 在雲室裡拍到正電子的照片，證實了反物質的存在。
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雖然科學家 80 年前就發現反物質，它們在地球上也很常見，但數量稀少，而且與物質接觸之後就會消失，直到 2010 年，科學家才成功捕捉到反物質。
生產反物質超貴，保存反物質更是天價
在瑞士日內瓦，有個專門製造反氫（氫的反物質）的工廠。科學家使用質子同步加速器，把質子加到一定速度後與金屬相撞產生反質子，接著再用磁場過濾出反質子，並將它們減速；最後，讓減速後的反質子與正電子結合，產生反氫。
製造反物質需要大量經費。根據 NASA 在 1999 年的估算，製造一公克的反物質，需要耗費 6.25 x 10^13 美元的成本，也就是 62.5 兆美元（約新台幣 1900 兆元），而台灣的 GDP 每年也才 17.8 兆 。也就是說，製造一公克的反物質，需要台灣超過 100 年的 GDP 才辦的到。
製造反物質是極端高價，而儲存反物質更是天價，還要消耗大量的電力。對於帶電的反物質（反質子、正電子），科學家可以用磁場保存它們；對於不帶電的反物質（反氫），科學家則用 Ioffe-Pritchard 陷阱保存。根據科學家在 2015 年的計算，儲存 1 公克的反物質需要 2.5 x 10^16 KWh 的能量，若根據台灣在 2018 年的總發電量 273,601 GWh 來推算的話，那需要 10 萬個台灣同時發電，才可以儲存 1 公克的反物質。
歐洲核子研究組織（CERN）在 2018 年表示，成功在 6K（攝氏零下 267 度）的真空中，儲存了幾顆反質子 1 年，並聲稱這些反質子是「宇宙中最長壽的反物質」。
反物質在地球上並不稀有，科學上也可以人工生產，但生產、保存反物質都需要大量的經費和能源。或許一些人會覺得，與其花這些錢研究反物質，還不如把它用在更實際的地方，但將經費投資在基礎科學研究，不僅培養國家戰略實力，還能帶動科技的發展；從精神層面上來看，則讓人類更了解宇宙的結構，滿足人類求知慾，也教導人類謙卑，畢竟在宇宙中，人類真的很微小，懂的東西實在是太少了。 |
