正反物質的湮滅符合愛因斯坦的相對論嗎？

在愛因斯坦的相對論中，質量和能量是統一的，單純的質量和能量不再守恆，而是兩者的結合「質能」才是守恆的，質能守恆定律適用範圍非常廣，正反物質湮滅也不例外。

動量守恆定律雖然是牛頓力學推導出來，但是動量守恆定律的適用範圍也是極為廣泛的，微觀宏觀都適用，同樣適用於正反物質的湮滅。

物質湮滅的定義是：正反物質相遇，會發生徹底的物質-能量轉化，其中能量轉變為γ射線、π介子等等。

湮滅過程遵循愛因斯坦的質能方程，反應後攜帶能量的粒子，同時也攜帶著反應前的動量，並滿足動量守恆。

目前，實驗室幾乎可以造出任何基本粒子的反粒子，但是還不能製造大量反粒子，而且反粒子的存儲也是很大的難題。

我們來講講湮滅。

物質與其所對應的反物質碰撞後消失併產生高能粒子（γ射線）等能量的過程，稱之為湮滅。

物質和它的反物質相遇時，會發生完全的物質-能量轉換，遵守愛因斯坦的質能方程E=mc^2。其中E為湮滅產生能量，m為物質湮滅前總質量，c為光速3x10^8米/秒。舉例來說，0.5克反物質湮滅所產生的能量和廣島市原子彈爆炸所產生的能量相當。(即是一克反物質湮滅所產生的能量約為20-30千噸TNT當量，或者是大約200萬千卡)。

湮滅一旦發生，正反物質的質量將全部轉化為能量，按照愛因斯坦的質能方程E=mc^2釋放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反應而言，這是效率最高的燃料。我們可以比較一下每公斤星際飛船發動機燃料的效果，很理想的化學反應可以產生1×10^7焦耳的能量，核裂變產生8×10^13焦耳，核聚變產生3×10^14焦耳，而反物質的湮滅能產生9×10^16焦耳，是氫氧化學反應的1百億倍，太陽核心熱核反應的300倍。這種飛船的比衝量將是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那麼大的反物質同物質湮滅產生的能量足以讓一艘飛船巡弋數百光年，而太空梭那麼巨大的燃料箱和推進器中的燃料完全可以用100毫克的反物質代替。據科學家們估算，每百萬分之一克的反質子與質子發生湮滅(爆炸)後釋放的能量相當於37.8公斤的TNT炸藥，其威力之大令世人震驚。

我們談談能量。

在經典物理領域，能量的定義有很多種。最普遍接受的定義是能量（energy）是質量的時空分布可能變化程度的度量,用來表徵物理系統做功的本領。簡單理解，可以近似表達為：物質狀態發生的改變，他從改變中產生，並且，他是改變本身。

在愛因斯坦的狹義相對論中，能量是四維動量中的一個分量。在任意封閉系統，在任意慣性系觀測時，這個向量的每一個分量（其中一個是能量，另外三個是動量）都會守恆，不隨時間改變，此向量的長度也會守恆（閔可夫斯基模長），向量長度為單一質點的靜止質量，也是由多質量粒子組成系統的不變質量（即不變能量）。

單一質量粒子的相對論能量包括其靜止質量及其動能。若一質量粒子動能為零（或在相對靜止參考系中），或是一個有動能的系統在動量中心繫中，其總能量（包括系統內部的動能）和其靜止質量或不變質量有關，其關係式即為著名的E=mc2。

因此只要觀測者的參考系沒有改變，狹義相對論中能量對時間的守恆性仍然成立，整個系統的能量仍然不變，位在不同參考系下的觀測者會量測的能量大小不同，但各觀測者量到的能量數值都不會隨時間改變。

不變質量由能量-動量關係式所定義，是所有觀測者可以觀測到的系統質量和能量的最小值，不變質量也會守恆，而且各觀測者量測到的數值均相同。

在量子力學中，量子系統的能量由一個稱為哈密頓算符的自伴算符來描述，此算符作用在系統的希爾伯特空間（或是波函數空間）中。若哈密頓算符是非時變的算符，隨著系統變化，其出現概率的測量不隨時間而變化，因此能量的期望值也不會隨時間而變化。

量子場論下局域性的能量守恆可以用能量-動量張量運運算元配合諾特定理求得。由於在在量子理論中沒有全域性的時間運算元，時間和能量之間的不確定關係只會在一些特定條件下成立，與位置和動量之間的不確定關係作為量子力學基礎的本質有所不同（見不確定性原理）。

在每個固定時間下的能量都可以準確的量測，不會受時間和能量之間的不確定關係影響，因此即使在量子力學中，能量守恆也是一個有清楚定義的概念。

綜上，正反物質的碰撞，會引起質量的消亡和能量的產生。其規律符合愛因斯坦的質能關係式：E=mc2。能量的表現形式為激發的高能粒子，如γ射線，其表現為符合量子力學表徵的波粒二像性。能量比恆星核心的核聚變反應大300倍。

PS：未經同意不得轉載（圖片來源網路）

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