反物質は本当に存在するのでしょうか？どれくらい高価ですか？それは人類を滅ぼすために悪者によって利用されるのでしょうか?

私はこれまで何度も反物質の問題について話をしてきましたが、それについて疑問を抱いている友人はまだたくさんいます。主な理由は次のようにまとめられます。1. 反物質は本当に存在するのか? 2. 反物質のエネルギーはどれくらい大きいですか? 3. 反物質は高価ですか?それはいくらぐらいの価値がありますか？ 4. テロリストは反物質を使って社会や人類に危害を加えるでしょうか?

本日、Space-Time Communicationsはネットユーザーとこの問題について議論し、明らかにする予定です。

まず、反物質とは何か、そしてそれが本当に存在するのかどうかについて話しましょう。

簡単に言えば、私たちが目にする一般的な物質はすべて正物質であり、これらの物質はすべて原子で構成されています。原子は原子核と原子核外電子で構成され、原子核は陽子と中性子で構成されています。原子核内の各陽子は 1 単位の正電荷を帯びていますが、中性子は電荷を帯びていません。原子核の外側の電子の数は原子核内の陽子の数に対応します。つまり、陽子 1 つにつき原子核の外側に 1 つの電子があり、各電子は 1 単位の負の電荷を帯びます。

このように、原子核の正電荷と電子の負電荷は互いに打ち消し合い、原子は電気的に中性の状態で存在します。原子または原子群が 1 つ以上の電子を失ったり得たりすると、イオンと呼​​ばれる荷電粒子が形成されます。原子核の外で電子を失ったイオンは正に帯電しているので、陽イオンと呼​​ばれます。原子核の外で電子を獲得したイオンはマイナスに帯電するため、負イオンと呼​​ばれます。

反物質も原子で構成されていますが、原子核と原子核の外側の電子の電荷は正物質の電荷と正反対です。つまり、原子核は負に帯電し、原子核の外側の電子は正に帯電します。原子核より小さい粒子のうち、反陽子は負に帯電し、反電子、すなわち陽電子は正に帯電します。

反物質と物質は独立して存在します。衝突しなければ何も起こりません。しかし、衝突すると相容れなくなり、水と火のように爆発してしまいます。一瞬の後に消えてしまいます。この現象は消滅と呼ばれ、同時に莫大なエネルギーが放出されます。

1928年という早い時期に、ノーベル物理学賞受賞者で英国の物理学者ポール・ディラックは、すべての粒子には反電子など、質量は同じだが電気的特性とスピン量子数が反対の反粒子が存在するはずだと予測しました。したがって、ディラックは反物質の概念を提唱した最初の科学者であると考えられています。

その後の科学的発見によりディラックの予測が裏付けられ、反物質は宇宙に広く存在し、特定の特殊な領域に大量に蓄積されていることが分かりました。反物質は私たちの周りの自然界にも広く存在しています。例えば、カリウム40は人体の中に存在します。この不安定同位体は陽電子を放出します。バナナには少量のカリウム40も含まれています。バナナは約 75 分ごとに 1 個の陽電子を放出し、1 日あたり 19 個の陽電子を放出する可能性があります。

これらの陽電子は、生まれるとすぐに、私たちの世界に存在する無数の正物質内の負の電子と消滅するため、この小さな「反物質」はいかなる波も発生させることができません。 1 立方センチメートルの空気中には 2.6875×10^19 個 (約 2.7 兆個) の分子が存在することを知っておく必要があります。空気中の主なガス分子は酸素と窒素です。各酸素分子には 16 個の負の電子があり、各窒素分子には 14 個の負の電子があります。

1995年、欧州原子核研究機構は研究室で世界初の反水素原子を生成しました。その後、世界中の多くの研究所で負の陽子や陽電子などのさまざまな反粒子が生成されました。 2011年、中国とアメリカの科学者が協力して、これまでで最も重い反物質である反ヘリウム4原子を生成しました。

このことから、反物質が存在するかどうかという疑問はもはや問題ではないことがわかります。それは私たちの世界に存在し、人工的に作り出すことができます。しかし、これまでのところ、人類が発見し、作り出した反物質は、まだ原子または亜原子粒子レベルにあり、人間の目で見ることができる反物質の全体はまだ発見されていません。

さて、反物質のエネルギーはどれくらい大きいのかについて話しましょう。

反物質は、理論上、これまでで最大のエネルギーで爆発できる物質であり、アインシュタインの質量エネルギー方程式 E=MC^2 に厳密に従ってのみ変換できます。ここで E はエネルギーであり、単位は J (ジュール) です。 M は物質の質量であり、単位は kg (キログラム) です。 C は真空中の光の速度で、単位は m (メートル) です。

アインシュタインの質量とエネルギーの方程式は、20 世紀における人類の最大の発見の 1 つです。この式は非常に単純ですが、質量とエネルギーは相互に変換可能で等価であり、両者の間には明確な等価関係があるという深遠な真実を表現しています。

しかし、質量をエネルギーに変換するのは決して簡単ではありません。現在人類が習得した最大の質量エネルギー変換技術は、核分裂と核融合です。核分裂の質量エネルギー変換率は約0.13％、核融合の質量エネルギー変換率は約0.7％です。この一見哀れなほど低い変換率は、実際には原子爆弾の爆発や水素爆弾の爆発など、驚くべきエネルギーを生み出し、質量とエネルギーの方程式の驚くべき正確さを完璧に証明しています。

反物質は物質と出会うと瞬時に消滅し、すべての物質の質量の 100% がエネルギーに変換され、無駄や残りは一切残りません。そのため、質量とエネルギーの完全な変換と呼ばれます。さらに、1 グラムの反物質は 1 グラムの物質と完全に対消滅する必要があるため、反物質 1 部の対消滅によって実際にはエネルギーの質量が 2 倍になる可能性があります。

アインシュタインの質量エネルギー方程式によれば、1kgの反物質と1kgの物質が衝突すると、1.8*10^17Jのエネルギーが生成されます。これはどれくらいのエネルギーですか?これは500億キロワット時の電力、または約4,302万トンの爆薬の爆発エネルギーに相当します。これは、3,300 個以上の広島型原子爆弾が同時に爆発した威力に相当します。

このことから、1グラムの反物質と1グラムの物質の消滅によって生成されるエネルギーは、約5000万キロワット時の電力、つまり広島型原爆3.3個分の爆発力であり、決して過小評価できないものであると結論付けることができます。

人工反物質はどれくらい高価ですか?

この世に反物質より価値のある物質は存在しないと言えるでしょう。なぜなら、これまでのところ、過去数十年間に世界中の科学者によって生成された反物質はすべて、まだ原子レベルに留まっているからです。電子顕微鏡で見るとぼんやりとした影がかろうじて見える程度で、人間の目にはまだ見えません。

たとえば、フェルミ国立加速器研究所は1兆電子ボルトの加速器を使用し、26年間にわたって大量の科学技術資源とエネルギーを投入しましたが、生成された反陽子の総量はわずか15ナノグラム、つまり1億分の1.5グラムでした。世界中のあらゆる研究室で生成される反水素原子、反陽子、反電子などの反物質の総量は 20 ナノグラムを超えません。

反物質を生成するコストは計り知れない。なぜなら、ほんの数個の反粒子を生成するために、多数の科学者が何十年も資金を費やしてきたからだ。費やされた研究資金は推定できますが、科学者が費やした貴重なエネルギーは計り知れません。反物質を生成するためのエネルギー消費量だけを計算しても、それがいかに高価であるかが分かります。

一部の専門家は、反物質の製造に現在消費されている電力量に基づくと、反物質1グラムを製造するのに2.5×10^16キロワット時（kWh）かかると計算している。 1kWhを1元で計算すると、電気料金は250兆元となり、米ドルに換算すると約360兆元になります。 2021年の世界の総GDPは約94兆ドルに過ぎず、そのうちアメリカは約23兆ドル、中国は約18兆ドルでした。つまり、たとえ全世界が飲食をやめて節約して反物質を生産したとしても、1グラムを生産するのに38年かかることになる。

したがって、この世に反物質よりも高価なものは何も存在しない。

反物質はテロリストによって人類を滅ぼすために使用されるのでしょうか?

少なくとも近い将来においては、誰も反物質を使って世界を破壊することはできないだろうと思います。理由は、前述したように、反物質は作るのが難しく、高価すぎるからです。世の中にどんなにお金持ちの人でも、反物質を1グラム入手するのは難しいのです。 1グラムの反物質の消滅から得られるエネルギーは、広島型原子爆弾数個分に相当します。この量のエネルギーは特定の地域に甚大な被害をもたらす可能性がありますが、全人類を滅ぼすには程遠いものです。

世界中の人工反物質の総量は20ナノグラム未満です。この反物質がすべて消滅すると、どれだけのエネルギーが生成されるのでしょうか?質量エネルギー方程式によれば、これらの反物質が同量の物質と対消滅するときに発生するエネルギーはわずか 3,600,000 J で、これはちょうど 1 キロワット時の電力であり、小さなコップ 1 杯の水を沸かすことしかできません。

さらに、反物質は生成が難しいだけでなく、保存することも非常に困難です。私たちの世界は正物質で満たされているため、反物質は空気を含む世界のあらゆる物質と接触すると消滅します。科学者たちは、ようやく手に入れたわずかな反物質粒子をより長期間保存するために、さまざまなアイデアを考案してきました。

最も重要な方法は、反物質の電気的または磁気的特性を利用して磁気トラップ、つまり磁気ボトルを作成し、さまざまな磁場トラップ内に反物質を閉じ込めることです。磁気トラップは高度に真空化されており、非常に低温です。この寒さは私たちがよく知る寒さではなく、マイナス272.65度という絶対零度に極めて近い寒さです。

反粒子は、地上でも地下でもないこの「牢獄」に閉じ込められており、ガス分子でさえ遭遇することが極めて困難です。寒さによって振動周波数の活動が低下し、エネルギーレベルが低い状態が維持されるため、従順にそこに留まり、比較的長く保存されるだけです。

テロリストは、このような極めて希少で、極めて高価で、取り扱いが極めて難しい反物質を入手し、生産し、保存することができるのでしょうか?したがって、テロリストであれ、一部の好戦的な国であれ、反物質を使ってかなり長期間にわたって社会や人類を脅かし、危険にさらしたいのであれば、それは単なる夢物語であり、実現不可能なことである。

もちろん、反物質が現在実用化できないからといって、将来も常にそうなるというわけではありません。今日の科学技術文明は急速に発展しており、反物質は最も理想的で完璧なクリーンエネルギーであり、それは間違いなく人類が長年夢見てきた目標です。いくつかの研究と予測によれば、将来ワームホールや時空折り畳み技術を使用して超光速の星間旅行を実現するには、反物質と反エネルギーを使用する必要があります。

これらの目標は、おそらく私たちの子供や孫たちの手によって達成されるでしょう。これについてどう思いますか？お気軽に議論やコメントをしてください。

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