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物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一就是——為什么宇宙中有物質(zhì)？ 恒星、行星、星系和星系團(tuán)都是由物質(zhì)構(gòu)成的，植物和動(dòng)物也是由物質(zhì)構(gòu)成的。本來(lái)這是極為自然的事情，但是另一種奇怪的東西出現(xiàn)后，我們就陷入了理解的困境，這種東西就是反物質(zhì)。 根據(jù)我們對(duì)宇宙起源和反物質(zhì)的了解，物質(zhì)和反物質(zhì)都應(yīng)該是不存在的。因?yàn)椋次镔|(zhì)具有一個(gè)非常最重要的特點(diǎn)：當(dāng)它和物質(zhì)結(jié)合時(shí)，會(huì)相互湮滅抵消，并產(chǎn)生巨大能量（光子）。另一方面，物理定律表明，宇宙大爆炸產(chǎn)生的巨大能量應(yīng)該創(chuàng)造了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。而問(wèn)題就出現(xiàn)在這了——按理說(shuō)，等量的物質(zhì)和反物質(zhì)相遇，就會(huì)“同歸于盡”。可是大爆炸之后的138億年，宇宙仍然充滿各種天體，所有這些天體都是由物質(zhì)組成的。既然物質(zhì)都還在，那么反物質(zhì)都去哪里了？ 反物質(zhì)的現(xiàn)身 我們先從反物質(zhì)的物理淵源說(shuō)起。故事開(kāi)始于1928年左右。當(dāng)時(shí)，物理學(xué)正處于重大改變期。愛(ài)因斯坦提出了相對(duì)論，闡述了引力的本質(zhì)，以及當(dāng)物體以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。幾乎同時(shí)，另一群物理學(xué)家正在發(fā)展量子力學(xué)，來(lái)描述粒子的行為。與此同時(shí)，英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克試圖將這兩者聯(lián)系起來(lái)。 狄拉克提出了一個(gè)描述電子運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程式，即狄拉克方程。這是一個(gè)既具有量子力學(xué)特征，又滿足狹義相對(duì)論要求的方程。在方程中，和電子共同存在的還有另一種粒子。它并不是傳統(tǒng)帶負(fù)電荷的電子，而是奇怪的帶著正電荷的電子——也就是電子的反粒子。 1931年，狄拉克預(yù)言了電子的反粒子即“反電子”的存在，他還進(jìn)一步提出質(zhì)子及其它粒子也應(yīng)該有相應(yīng)的反粒子。如果所有粒子都有反粒子，那么就有可能存在完全由反粒子組成的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是反物質(zhì)。這是人類第一次意識(shí)到可能存在反物質(zhì)。 其實(shí)早在狄拉克提出反粒子概念之前，反粒子就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里留下了蹤跡，但被實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家忽略了。那時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)探測(cè)帶電粒子徑跡的主要工具是“云室”，云室中的高能粒子經(jīng)過(guò)的路徑上會(huì)出現(xiàn)一條白色的霧，也就是粒子運(yùn)動(dòng)的徑跡。 在云室內(nèi)施加磁場(chǎng)后，帶電粒子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生彎曲的徑跡。一些科學(xué)家注意到，磁場(chǎng)中有一半電子向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，另一半向相反方向偏轉(zhuǎn)。然而長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為電子只有一種，因此他們未曾想到那些反常的徑跡是反粒子造成的。 在狄拉克預(yù)言“反電子”之后，美國(guó)物理學(xué)家卡爾·安德森懷疑云室中另一半的電子就是“反電子”，于是他開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。1932年8月，他收集到了足夠的數(shù)據(jù)，正式確認(rèn)“反電子”的存在，并將它們命名為“正電子”。 至此之后，反物質(zhì)成為了物理學(xué)以及科幻小說(shuō)的一部分。 來(lái)自高空的身影 根據(jù)狄拉克方程，反物質(zhì)會(huì)和普通物質(zhì)遵守一樣的自然規(guī)律。在這種情況下，宇宙中的物質(zhì)與反物質(zhì)的含量必須相等，所以有可能存在“反物質(zhì)星球”和“反物質(zhì)星系”，但是我們?nèi)绾握业接钪嬷械姆次镔|(zhì)呢？ 1911年至1913年期間，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯多次搭乘了熱氣球，他可不是為了短途旅行，而是為了做實(shí)驗(yàn)。自19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)放射現(xiàn)象以來(lái)，人們一直認(rèn)為粒子放射水平會(huì)隨著海拔的升高而降低，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為海平面水平上的輻射來(lái)自巖石中的放射性元素。 赫斯將粒子探測(cè)器帶在身邊，乘坐熱氣球測(cè)試空中的輻射量。經(jīng)歷了很多次熱氣球飛行后，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人吃驚的結(jié)果：探測(cè)器的輻射量竟然是隨著海拔高度的上升而增加的！這完全違背了人們之前的想法。 于是，物理學(xué)家們提出了下一個(gè)假設(shè)：如果這些輻射來(lái)自太空，那么一定來(lái)自于太陽(yáng)。赫斯對(duì)此又進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在一次全日食的情況下，他依舊帶著探測(cè)器搭乘熱氣球飛行，他發(fā)現(xiàn)即使月球完全擋住了太陽(yáng)，探測(cè)器的輻射量仍然跟之前一樣，隨著海拔的上升而增加。他得出結(jié)論：輻射來(lái)自深太空。這些輻射叫做宇宙射線，它很快成為物理學(xué)家研究的焦點(diǎn)。 為了尋找反物質(zhì)，天文學(xué)家將目標(biāo)放在每時(shí)每刻轟擊地球大氣層的宇宙射線上。果不其然，1936年，科學(xué)家在宇宙射線中看到了正電子的身影。 搜索太空 2008年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)加里·史德曼教授想到了另一種方法也許能找到宇宙中的反物質(zhì)。因?yàn)橛行r(shí)候巨大的星系團(tuán)之間會(huì)相互碰撞，假設(shè)其中一個(gè)星系團(tuán)是由物質(zhì)組成，另一個(gè)則由反物質(zhì)組成，那么它們碰撞后會(huì)相互湮滅，放出大量的X射線和伽馬射線。 為了尋找反物質(zhì)，史德曼將星際中“嚴(yán)重撞車事故”的產(chǎn)物——子彈星系團(tuán)列為研究對(duì)象。他仔細(xì)查看了美國(guó)宇航局錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)和康普頓伽瑪射線天文臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果，但都沒(méi)有什么重大發(fā)現(xiàn)，X射線和伽瑪射線的量很少，那里大約每100萬(wàn)個(gè)粒子中才有3個(gè)反粒子。 同一年，科學(xué)家們?cè)谖覀兊你y河系中發(fā)現(xiàn)了一朵龐大但稀薄的反物質(zhì)云。它圍繞在銀河系中心附近，并發(fā)出伽瑪射線。歐洲航天局的射線衛(wèi)星觀測(cè)表明，這朵云并不在銀河系的正中間，似乎是尾隨著某顆散發(fā)X射線的恒星。這里的反物質(zhì)可能不是宇宙誕生時(shí)遺留下來(lái)的，它們更有可能起源于恒星。這顆恒星周圍有一個(gè)黑洞，當(dāng)恒星周圍的氣體脫離恒星，會(huì)被黑洞“吃掉”，這個(gè)高能的過(guò)程將產(chǎn)生反物質(zhì)。 不過(guò)，能釋放反物質(zhì)的不只有恒星。平均而言，每一小時(shí)左右，香蕉會(huì)吐出一個(gè)正電子。這是因?yàn)橄憬吨泻刑烊环派湫酝凰剽?40。當(dāng)它衰變時(shí)偶爾會(huì)釋放出一個(gè)正電子，而當(dāng)正電子遇上第一個(gè)電子時(shí)，也會(huì)湮滅成能量，不過(guò)所釋放的能量是微不足道的。而事實(shí)上，我們的身體里也有鉀-40，也會(huì)發(fā)生這一過(guò)程。 可見(jiàn)，宇宙中、實(shí)驗(yàn)室里很容易就產(chǎn)生正電子，但它們不能完全代表原始反物質(zhì)，我們需要尋找的是更重的原始反物質(zhì)粒子，比如反氦核。 可是自然界中沒(méi)有足夠的力量來(lái)產(chǎn)生一個(gè)反氦核，只有宇宙大爆炸才能做到。所以，如果我們發(fā)現(xiàn)像反氦核這樣的粒子，那么接下來(lái)可能會(huì)找到更多的原始反物質(zhì)，甚至是擁有很多反物質(zhì)的宇宙區(qū)域。如果檢測(cè)到反碳核，那么意義就更加重大了。碳只能在恒星的“核熔爐”里形成，反碳核的現(xiàn)身，意味著太空中的某處存在“反物質(zhì)星球”，這將是天文學(xué)一次偉大的突破。 反物質(zhì)和物質(zhì) 不是對(duì)稱存在的？ 2011年，阿爾法磁譜儀探測(cè)器被送到國(guó)際空間站，它是專門(mén)用來(lái)測(cè)量宇宙射線中反物質(zhì)的數(shù)量和類型的。至2013年，阿爾法磁譜儀已經(jīng)看到過(guò)40萬(wàn)個(gè)正電子，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他種類的反物質(zhì)。到目前為止，仍沒(méi)有證據(jù)表明原始反物質(zhì)潛伏在太空某處。 所以只剩下一種可能：反物質(zhì)和物質(zhì)雖然是對(duì)稱的，但“性格”卻不一樣。 幾十年來(lái)，粒子物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)多次看到粒子與反粒子有不同的行為反應(yīng)。這要從所謂的“弱核力”說(shuō)起，弱核力是自然界的四大基本力之一，亞原子放射性衰變就是由它引起的。弱核力，加上引力、電磁力，它們共同控制著規(guī)模巨大的宇宙。剩下的一種是強(qiáng)核力。強(qiáng)核力的作用范圍很小，大約只有原子核般的大小。 1964年物理學(xué)家在研究K介子衰變時(shí)，發(fā)現(xiàn)K介子能自然衰變成反K介子，反K介子也可以衰變?yōu)镵介子，但是這兩個(gè)過(guò)程發(fā)生的頻率卻不一樣。因此，一些科學(xué)家推測(cè)，宇宙在弱核力的作用下，也可能發(fā)生類似的情況——由于宇宙大爆炸時(shí)存在某些過(guò)程，更有利于物質(zhì)的產(chǎn)生，或者說(shuō)物質(zhì)的產(chǎn)生頻率更快。導(dǎo)致反物質(zhì)的量不足，物質(zhì)的量過(guò)剩了，而剩余的物質(zhì)組成了今天的宇宙。科學(xué)家給出的估計(jì)是每形成十億個(gè)反物質(zhì)，可能就會(huì)產(chǎn)生十億零一個(gè)物質(zhì)。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了這個(gè)猜測(cè)，在面對(duì)弱核力時(shí)，物質(zhì)和反物質(zhì)確實(shí)有不一樣的反應(yīng)。 科學(xué)家參考了對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)，估測(cè)宇宙早期可以產(chǎn)生多少反物質(zhì)，可惜答案并不是科學(xué)家們所期望看到的。之前給出的估計(jì)是每形成十億個(gè)反物質(zhì)的同時(shí)就產(chǎn)生十億零一個(gè)物質(zhì)，這意味著宇宙剛誕生時(shí)差不多有一半仍舊是反物質(zhì)。然而，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，宇宙剛誕生時(shí)的反物質(zhì)質(zhì)量只相當(dāng)于一個(gè)普通的星系。顯然，這和科學(xué)家估計(jì)的情況有非常大的差異，說(shuō)明反物質(zhì)的研究任務(wù)還很艱巨。 宇宙到底有沒(méi)有另一半？有的話，它會(huì)在哪里？反物質(zhì)和物質(zhì)為什么會(huì)有不同的行為？宇宙誕生之初究竟發(fā)生了什么事？這些問(wèn)題仍尚待解決。可見(jiàn)浩瀚宇宙對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，依舊深不可測(cè)。 |
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