爱读书 探索 宇宙反物质之谜

宇宙反物质之谜

要想弄明白宇宙中有没有反物质,首先要弄明白什么是反物质。

反物质是和物质相对立的一个概念。众所周知原子是构成化学元素的最小粒子,它由原子核和电子组成。原子的中心是原子核,原子核由质子和中子组成,电子围绕原子核旋转。原子核里的质子带正电荷,电子带负电荷。

宇宙反物质之谜-爱读书

从它们的质量看,质子是电子的1840倍,形成了强烈的不对称性。因此,20世纪初有一些科学家就提出疑问,二者相差这么悬殊,会不会存在另外一种粒子,它们的电量相等而极性相反,比如,一个同质子质量相等的粒子,可带的是负电荷,另一个同电子质量相等的粒子,可带的正电荷。

1928年英国青年物理学家狄拉克从理论上提出正电荷电子的可能性。

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这种粒子,除电荷同电子相反外,其他都一样。1932年,美国物理学家安德逊经过实验,把狄拉克的预言变成了现实。他把一束伽马射线变成了一对粒子,其中一个是电子,而另一个同电子质量相同的粒子,带的就是正电荷。1955年,美国物理学家西格雷等人在高能质子同步加速器中,用人工方法获得了反质子,它的质量同质子相等,却带负电荷。1978年8月,欧洲一些物理学家又成功地分离并储存了300个反质子。1979年美国新墨西哥州立大学的科学家把一个有60层楼高的巨大氦气球,放到离地面35千米的高空,飞行了八小时,捕获了28个质子。从此,人们知道每种粒子都有相应的反粒子。

人们根据反粒子,自然联想到反原子的存在。一个质子和一个带负电荷的电子结构,便形成成了原子。那么,一个反质子和一个带正电荷的“电子”结合不就形成了一个反原子了吗?类推下,岂不会形成一个反物质世界吗?于是有人认为宇宙是由等量的物质和反物质构成的。

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从理论上看宇宙中应该存在一个反物质世界。可事实并不这么简单。经研究发现粒子和反粒子一旦相遇,他们就会“同归于尽”,从而转化成高能量的γ光子辐射。可这种光子辐射人们至今还没有发现。在我们地球上很难找到反物质,因为它一旦遇到无处不在的普通物质就会湮灭。

那么宇宙中存在着反物质吗?存在一个反物质世界吗?按照对称宇宙学的观点,它们是存在的。这一学派认为,我们所看到的全部河外星系(包括银河系在内),原本不过是个庞大而又稀薄的气体云,由等离子体构成。等离子体既包含粒子,又包含反粒子。当气体云在万有引力作用下开始收缩时,粒子和反粒子接触的机会就多了起来,便产生了湮灭效应,同时释放出巨大能量,收缩的气体云开始膨胀。这就是说,等离子体云的膨胀,是由正反粒子的湮灭引起的。

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按照这种说法推论,宇宙中的某个地方,一定存在着反物质世界。如果反物质世界真的存在的话,那么它只有不与物质会和才能存在。可物质和反物质怎样才能不会合呢?为什么宇宙中的反物质会这么少呢?上世纪五十年代杨振宁和李政道发现弱相互作用下宇称不守恒的对称性自发破缺,为解释反物质为什么这么少提供了一个思路,也逐渐成为了量子场论的重要概念,量子力学认为是真空破坏了理论的对称性,认为真空中充满了高密度的引力子和反引力子,干扰了粒子,粒子出现不确定、测不准,因此才出现了对称性丢失。宇宙从诞生开始正反粒子就是不对称的,也最终才能形成以正物质为主的现在宇宙。

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当然以上思想只是科学家目前的理论框架,正反物质的关系真正如何还是待解之谜。

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