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宇宙中反物质消失之谜

众所周知,1928年,英国物理学家保罗.狄拉克把相对论引入量子力学,建立了著名的狄拉克方程,从理论上预言了负能量的存在。(就是说,这一方程的解很特别,既包括正能态,也包括负能态。)

宇宙中反物质消失之谜

狄拉克论文发表的以后3年间,关于“负能现象”在科学界有过激烈的争论,玻尔、海森堡、泡利等当时著名的物理学家都对这一理论表示质疑,因为负能莫名其妙、无法理解。但狄拉克始终坚持自己的理论,甚至于1931年又大胆提出了“反粒子”的概念来解释“负能现象”。从而预言了反粒子、反物质的存在。

(反物质是由反粒子构成的。正反物质电荷相反,它们相遇会湮灭并释放出高能光子或伽玛射线等等。)

幸运的是,1932年秋,美国物理学家卡尔·安德森在研究宇宙射线中高能电子的云室运动轨迹时,惊奇地发现强磁场中有一半的电子向一个方向偏转,另一半则向相反方向偏转,经过仔细辨认,科学界确认这就是狄拉克预言的正电子,从而印证了狄拉克预言的正确性。到了上世纪50年代,反质子和反中子的发现,大量其它反粒子的发现,让人类开始明确地意识到,任何基本粒子都有反粒子。

到目前为止,科学家们已经发现了300多种基本粒子,这些基本粒子都是正反成对存在或湮灭的。这促使人们猜测宇宙中正物质和反物质的存在方式也应该是完全对称的。

(事实上,在1933年底诺贝尔物理奖颁奖典礼上,狄拉克已经预言,宇宙中很可能半数星球由正物质组成,另外半数星球由反物质组成。我们的太阳系与地球由正物质构成纯属偶然。)

现在大家已经理解:当初人们对反物质感到陌生,是因为人们对于高能现象缺乏认识,因为只有能量足够高,反物质才能被产生出来。今天,随着科学技术的发展,物理学家对于反物质已经习以为常。各种研究反质子和质子对撞,正负电子对撞的实验设备已经成了物理学家们的标配。

宇宙中反物质消失之谜

除了在实验室人们可以轻易催生各种反粒子,在高能宇宙射线中,人们也观测到了反粒子的存在------宇宙线是来自于宇宙高能天体所产生的高能粒子流,这些高能的宇宙线在银河系空间传播的过程中,会和星际空间的稀薄物质碰撞,发生反应并产生反粒子。

所有科学实验都表明,物质产生于能量,粒子与反粒子必定是一对一成对产生,并一对一成对湮灭的,犹如一枚硬币的两面。(物质消失时会释放巨大的能量,遵循爱因斯坦的质能方程式:能量等于质量乘以光速的平方。)此即所谓物质的“对产生”。

科学家们设想,宇宙创造之初,巨大的能量以“对产生”的方式造就了等量的物质与反物质,但时至今日,构成我们周围世界的物质却都是正物质,数量极多的反物质去了哪里?-------这就是令物理学家们百思不解的反物质消失之谜,也是物理学界所面临的一个重大挑战。

物质与反物质,一旦接触便会相互湮灭抵消,发生爆炸并化成能量,所以我们的正物质宇宙按理来说压根就没有出现的可能,但它为什么竟然会出现呢?

如果在宇宙的某个地方,存在着一个反物质世界,那么,它必须与物质完全隔绝,可阴与阳,男与女,物质与反物质怎样才能不会合,不碰到一起去呢?

史蒂芬.霍金指出:“质子或更简单地说夸克的产生导致了我们的存在。它们是从宇宙开初的可以想像的最自然的方式——夸克并不比反夸克更多的状态下产生的。地球上的物质主要是由质子和中子,从而由夸克所构成。除了由少数物理学家在大型粒子加速器中产生的之外,不存在由反夸克构成的反质子和反中子。从宇宙线中得到的证据表明,我们星系中的所有物质也是这样:除了少量当粒子和反粒子对进行高能碰撞时产生出来的以外,没有发现反质子和反中子。”

宇宙中反物质消失之谜

“如果在我们星系中有很大区域的反物质,则可以预料,在正反物质的边界会观测到大量的辐射,该处许多粒子和它们的反粒子相碰撞、互相湮灭并释放出高能辐射。”由于这种现象没有发现,“因此,我们相信,所有的星系是由夸克而不是反夸克构成;看来,一些星系为物质而另一些星系为反物质也是不太可能的。”

由于在宇宙学尺度上,人类始终没有发现原初反物质存在的迹象,因此可以肯定我们目前的可观测宇宙是由物质而不是由反物质组成的,那么,反物质宇宙存在于什么地方呢?到底是什么原因造成了今天宇宙中正物质和反物质的高度不对称?

一种看法认为这是宇宙的初始条件造成的,宇宙诞生之初,只是凑巧产生了物质而没有反物质。美国宇宙学家施拉姆(Schramm)说:“大多数理论家的直觉是不存在反物质。这意味着如果你找到它,那是一个伟大的发现,证明这些理论家都是错误的。但是最大的可能是,这意味着你找不到它。”-------这种说法藐视科学实验成果,违反阴阳对称的规律,实在是很难让人信服。

更加流行的一种解释则认为,宇宙产生之初,宇宙中的确存在着等量的物质和反物质,只是由于某种机制,某种不对称,在宇宙演化的过程中,物质和反物质绝大部分已经湮灭,只有大约十亿分之二的多出来的物质被保留了下来,构成了今天的宇宙。目前,地球上的物理学家们正在锁定某些粒子,反复进行实验,以求破解谜团。

宇宙中反物质消失之谜

科学家们已经发展了一些似是而非的理论,似乎可以解释宇宙的存在。譬如说,某些人认为,或许发生过CP对称(CP对称是指改变某种粒子的电性,粒子的行为与其反粒子完全一致。如果反粒子的行为与粒子的镜像略有不同,就意味着CP对称被破坏了。因为反物质就是正常物质的镜像。)破坏,使反粒子转化成了粒子。

日本的物理学家小林诚与益川敏英因为成功证实了K介子与B介子的CP破坏现象,曾经荣获2008年诺贝尔物理学奖。但小林-益川理论中的CP破坏极小,根本不足以导致早期宇宙中的物质增多十亿分之一二。

另外两位日本科学家福来正孝与柳田勉则认为,是某种未知的非常重的中微子发生衰变,转化成其他粒子,造成CP对称被破坏,导致了物质剩余。这种理论被叫做轻子生成理论。(即夸克可能来源于中微子。宇宙物质诞生于轻子。)

宇宙中反物质消失之谜

霍金则把希望寄托于尚未出现的大一统理论,他认为,尽管刚开始时粒子与反粒子数量相等,但大统一理论允许高能下发生重子数守恒的破坏以及正反粒子的相互作用性质可能具有的微妙差别导致了物质的出现。(其实超高能下的粒子物理规律人类至今还没有掌握,因此实际上自然界是否确实具备这两个要素,人类还不能回答。)

——与此类似的理论还有一些,基本上都是臆测,无法得到实验验证。所以,我们就不一一举例了。

说老实话,仅仅依靠人类,宇宙中反物质消失之谜的揭破恐怕至少还需要几百年甚至几千年的时间,那时人类制造的望远镜或许可以探测到宇宙的边缘,看见反物质宇宙在“道炁”的海洋上如莲花般漂浮、绽放、熠熠放光;而仅仅依靠人类,“我们是谁?我们从哪里来?我们到哪里去?”这些全体人类孜孜以求, 寤寐思服、魂牵梦萦的根本性重大哲学问题将永远得不到最权威的解答。

现代人类正在积极寻找反物质。

1998年夏,美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。(中国也参与了这项研究)

一旦阿尔法磁谱仪的观测证实了宇宙远处深空有巨大的反物质区域存在,就会对物理学提出严峻挑战。因为宇宙诞生之初,正反粒子必定会一起产生,并混合在一起,按着现有的物理理论,没有一种已知的作用力能够使它们发生大范围的分离。“因此,如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质,物理学将需要突破性的变化。”

宇宙中反物质消失之谜

为了解开反物质消失这个世纪之谜,本世纪初,中国和意大利在西藏海拔4300米的羊八井地区,建成了世界上第一个1万平方米“地毯”式粒子探测阵列实验站,用以接收来自宇宙的高能射线和反物质粒子。动工于2009年的中德亚毫米波望远镜项目也已在此运行。

2010年11月17日,欧洲核子研究中心的科学家们宣布,他们利用在日内瓦的世界上能量最高的大型强子对撞机,在科学史上首次成功"抓住"了微量反物质,引起了科学界的极大轰动。 

实际上,欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子,但那时它只能存在几微秒,就会与周围的正氢原子相碰——湮灭。这一次,科学家们利用强磁场使几十个反氢原子成功存在了约0.17秒。-------0.17秒这个时间听起来似乎很短,但对科学家们来说已是十分难得,令他们可以对反氢原子进行较为深入的观测和分析。因此,这一成果被看作是物理学领域的一大突破,乃是理所当然的。

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