一、核聚变是终极能源吗？
美国著名物理学家及未来学家加来道雄（Michio Kaku）认为，掌握核聚变技术的文明仅处于“文明1.0”阶段。这使得人类有能力飞出太阳系，但要跨越银河系，我们还有很长的路要走。鉴于宇宙中约有2万亿个星系，人类的探索之旅才刚刚开始。
为了实现更快、更远的飞行，我们迫切需要一种更加强大的能源——反物质，这可能为我们的星际旅行提供必要的动力。
二、反物质简述
反物质可以被想象为普通物质的一个"相反版本"，它具有与普通物质相反的电荷。例如，普通电子带有负电荷，而其反物质对应物——正电子，则带有正电荷。同样地，质子的反物质对应物——反质子，带有负电荷。当反物质与普通物质相遇时，它们会相互湮灭，转化为能量，这个过程就像烟火一样瞬间消失，但同时释放出巨大的能量。
在物理学中，原子核由两种粒子构成：质子和中子。质子具有电荷，而中子则不带电，它们在特定条件下能够相互转化。质子和中子进一步由更小的粒子——夸克组成，这些夸克与其它类似的粒子统称为重子，如下图中紫色部分所示。而电子和中微子属于轻子，如图2中绿色部分所示。电子带有电荷，中微子则不带电。夸克和轻子共有六种，它们成对出现，并分为不同的“代”。其中，第一代粒子最轻且最为稳定，而较重且不稳定的粒子则属于第二和第三代。
在宇宙中，所有稳定的物质都是由第一代粒子构成的，较重的粒子会迅速衰变成更稳定的粒子。原子中还包括力载体粒子，它们负责传递基本力：电磁力由光子传递；强作用力由胶子传递，这种力仅在原子核内部起作用（如下图中质子与中子之间的小弹簧所示）；弱作用力由W和Z玻色子传递，它们会影响电子和中微子。此外，还有希格斯粒子，它赋予无质量粒子以能量。尽管如此，科学家们至今尚未发现传递引力的粒子——引力子。
原子核拥有正电荷，而电子则带有负电荷。通常情况下，原子核的正电荷与电子的负电荷相互抵消，使得整个原子呈电中性。然而，确实存在带负电荷的原子核和带正电荷的电子，这种物质就是反物质。
地球上并不存在反物质。在整个可观测宇宙中，反物质也极为罕见。因此，直到20世纪初，科学家们才开始意识到反物质的存在。
三、反物质与核聚变关系
保罗·狄拉克通过数学预测了反物质的存在，为核聚变研究奠定了理论基础。反物质与普通物质相遇时会发生湮灭，100%的质量转化为能量，这一效率远超核裂变和核聚变的0.1%和0.56%。
虽然反物质作为能源的应用面临巨大挑战，但其潜力巨大，有望成为一种清洁、高效的能源，与核聚变能源的目标一致。此外，反物质技术已在医学领域得到应用，如正电子发射断层扫描（PET）。
粒子对撞机作为生成反物质和研究核聚变的重要设备，对高能物理研究也具有重要意义。
四、反物质发现历程
保罗·狄拉克（Paul Dirac）是一位英国的杰出物理学家，他于1926年首次预言了反物质的存在。狄拉克出生于一个并不富裕的家庭。他在布里斯托大学毕业后，狄拉克获得了剑桥大学的奖学金继续深造，并在28岁时成为了著名的学者。他在哥本哈根与尼尔斯·波尔、奥本海默和海森堡等物理学巨匠共同学习，以其专注和内向的性格著称。
狄拉克在剑桥大学工作多年，并参与了第二次世界大战期间英国的原子弹计划“Tube Alloys Project”。他对物理学和数学的贡献巨大，许多理论和概念以他的名字命名，包括狄拉克函数、狄拉克方程和狄拉克场。他的狄拉克方程在1934年为他赢得了诺贝尔物理学奖，当时他仅32岁。
1995年，狄拉克纪念碑在伦敦威斯敏斯特教堂揭幕，纪念碑上刻有他预言反物质存在的方程。反物质的实验证明归功于加州理工学院的研究生卡尔·安德森，他在导师罗伯特·密里根的指导下发现了正电子，并因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。安德森的发现证实了狄拉克的理论。
在1934年，弗雷德里克·约里奥-居里和他的妻子伊雷娜·约里奥-居里发现了一种能发射正电子的放射性物质，这一发现为科学家们提供了一种生成正电子的新途径。随后，科学家们又陆续发现了其他带负电的粒子，但直到60多年后，人类才成功制造出完整的反物质。
1996年，借助于位于欧洲原子能中心（CERN）的世界最大粒子对撞机——大型强子对撞机（LHC），德国科学家沃尔特·奥埃莱特（Walter Oelert）及其团队首次制造出了反氢。这一突破性进展引起了全球媒体的广泛关注，人们认为这标志着科学家们已经迈向了科幻小说中描述的终极能源领域。
五、反物质应用
自1996年起，欧洲原子能研究中心的粒子对撞机所制造的反物质总量极为有限，仅约10毫微克（10^-9g），这仅足以为一只60瓦的灯泡提供4小时的电力。由于反物质在接近绝对零度的条件下才能稳定储存，否则会迅速与普通物质反应并释放巨大能量，因此至今科学家们尚未将反物质作为能源的计划。
尽管如此，反物质技术已经在医学领域得到实际应用，尤其是在正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，简称PET）技术中。这项技术起源于约里奥-居里夫妇发现的正电子放射性同位素。1973年，美国放射学家Michel Ter-Pogossian发明了第一台PET扫描仪，开启了大脑成像的新篇章。
PET-CT技术涉及将正电子放射性同位素，如氟(18F)脱氧葡萄糖（Fludeoxyglucose F18，简称FDG），通过静脉注射进入人体。FDG随血液流动，释放正电子，这些正电子与电子相遇时产生伽马射线，被PET扫描仪检测并分析，从而生成反映身体内部情况的图像。这些图像能够展示分子在体内的分布和变化，帮助医生评估细胞组成、代谢活动和血液流动。FDG的半衰期很短，16分钟内减少20%，110分钟内减少70%，对人体的影响微乎其微。
如今，PET-CT已成为医疗诊断和科学研究中不可或缺的工具。在临床上，它用于癌症、心脏疾病和脑部疾病的诊断。在科研领域，它被用来研究大脑功能、心肺活动和药物开发等。PET-CT在现代医疗设施中扮演着重要角色。
中国的粒子对撞机
位于北京的中国粒子对撞机是中国第一个大型科学项目，它在1988年建成。尽管规模不大，但这个项目是在周恩来总理（1898年—1976年）的特别批准下实现的。
与核聚变对比
可以说，核聚变和反物质都具有巨大的能量释放潜力，但它们在实际应用和研究方面处于不同的发展阶段。
核聚变作为一种能源，已经取得了一些实际进展。例如，美国能源部下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家成功重现了“核聚变点火”突破，实现了核聚变反应净能量收益，这一突破被认为是核聚变科学的重要里程碑。此外，核聚变技术实用化也在提速，美国氦核能源公司与微软签署了历史上第一份核聚变能源商业合同，计划于2028年为微软提供至少50兆瓦的电力。
相比之下，反物质作为一种能源，目前还面临着巨大的技术挑战和高昂的成本。反物质的生产仅在粒子加速器中以微不足道的数量实现，据NASA评估，一克反物质的价值高达62万亿美元。虽然反物质具有极高的能量密度，是质能转换的顶级形态，但目前人类的技术水平还无法实现反物质的规模化生产和储存。
因此，从目前的情况来看，核聚变作为一种能源更具潜力，因为它已经取得了一些实际的进展，并且有明确的商业化目标。而反物质虽然理论上具有巨大的能量释放潜力，但目前还远未达到实际应用的阶段。
参考链接：
- https://mp.weixin.qq.com/s/oobmSM7TJbNwdt32vOg1nw
- https://www.cambridge.org/core/journals/laser-and-particle-beams/article/abs/fusion-reactions-and-matterantimatter-annihilation-for-space-propulsion/1EF838A35E86DCB8D1E58507FE70551C
- https://www.nature.com/articles/d41586-020-01022-3
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576521005865