物质和反物质相撞会爆炸湮灭，产生巨大的能量，为什么？
2024-11-19 阅读 11
更新于 2024年11月21日
物质和反物质相撞会发生湮灭，释放出巨大的能量。这一现象的原理可以从量子场论和相对论的角度来解释。物质和反物质的湮灭过程遵循能量守恒和动量守恒定律，释放的能量通常以高能光子的形式存在。
物质和反物质是一对互为相反的粒子。例如，电子（electron）的反粒子是正电子（positron），质子（proton）的反粒子是反质子（antiproton）。当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭，转化为纯能量。
根据能量守恒定律，物质和反物质湮灭过程中释放的能量等于它们的静止能量之和。根据动量守恒定律，湮灭过程中总动量保持不变。
物质和反物质湮灭释放的能量可以用爱因斯坦的质能方程表示： E=mc^2\\E=mc^2\\
其中 EE 是能量，mm 是质量，cc 是光速（约为 3×108m/s）。
假设一个电子和一个正电子以相同的速度 vv 相对运动，它们的总动量为零。湮灭后，释放的能量通常以两个光子的形式存在，这两个光子沿相反方向运动，动量大小相等，方向相反，总动量仍然为零。
当一个电子（质量 m_em_e ）和一个正电子（质量 m_em_e）相撞时，它们的总静止能量为： E_\text{total}=2m_ec^2\\E_\text{total}=2m_ec^2\\
湮灭过程中，这些能量会转化为两个光子的能量。假设每个光子的能量为 E_\gammaE_\gamma，则有： E_\gamma=\frac{E_\text{total}}2=m_ec^2\\E_\gamma=\frac{E_\text{total}}2=m_ec^2\\
光子的动量 pp 可以用以下公式表示： p=\frac{E_\gamma}c=\frac{m_ec^2}c=m_ec\\p=\frac{E_\gamma}c=\frac{m_ec^2}c=m_ec\\
因此，两个光子沿相反方向运动，动量分别为 +m_ec+m_ec 和 -m_ec-m_ec，总动量为零。
