每一小时左右,反物质之谜: 宇宙丢失的另一半

这是人类第一次意识到可能存在反物质,,2008年,美国俄亥俄州立大学加里?史德曼教授想到了另一种方法也许能找到宇宙中的反物质,弱核力,加上引力、电磁力,它们共同控制着规模巨大的宇宙。

  每一小时左右,反物质之谜: 宇宙丢失的另一半
  反物质之谜: 宇宙丢失的另一半
  

物理学中最大的谜团之一就是——为什么宇宙中有物质?

  

恒星、行星、星系和星系团都是由物质构成的,植物和动物也是由物质构成的。本来这是极为自然的事情,但是另一种奇怪的东西出现后,我们就陷入了理解的困境,这种东西就是反物质。

  

根据我们对宇宙起源和反物质的了解,物质和反物质都应该是不存在的,因为反物质具有一个非常最重要的特点:当它和物质结合时,会相互湮灭抵消,并产生巨大能量(光子)。

  

另一方面,物理定律表明,宇宙大爆炸产生的巨大能量应该创造了等量的物质和反物质。

  

而问题就出现在这了——按理说,等量的物质和反物质相遇,就会“同归于尽”,可是大爆炸之后的138亿年,宇宙仍然充满各种天体,所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在,那么反物质都去哪里了?

  

  

反物质的现身

  

我们先从反物质的物理渊源说起。故事开始于1928年左右。当时,物理学正处于重大改变期。爱因斯坦提出了相对论,阐述了引力的本质,以及当物体以接近光速的速度运动时会发生什么情况。几乎同时,另一群物理学家正在发展量子力学,来描述粒子的行为。与此同时,英国物理学家保罗?狄拉克试图将这两者联系起来。

  

狄拉克提出了一个描述电子运动的数学方程式,即狄拉克方程。这是一个既具有量子力学特征,又满足狭义相对论要求的方程。在方程中,和电子共同存在的还有另一种粒子。它并不是传统带负电荷的电子,而是奇怪的带着正电荷的电子——也就是电子的反粒子。

  

1931年,狄拉克预言了电子的反粒子即“反电子”的存在,他还进一步提出质子及其它粒子也应该有相应的反粒子。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组成的物质,这种物质就是反物质。这是人类第一次意识到可能存在反物质。

  

其实早在狄拉克提出反粒子概念之前,反粒子就已经在实验室里留下了踪迹,但被实验物理学家忽略了。那时实验室内探测带电粒子径迹的主要工具是“云室”,云室中的高能粒子经过的路径上会出现一条白色的雾,也就是粒子运动的径迹。

  

在云室内施加磁场后,带电粒子会发生偏转,产生弯曲的径迹。一些科学家注意到,磁场中有一半电子向一个方向偏转,另一半向相反方向偏转。然而长期以来,人们一直认为电子只有一种,因此他们未曾想到那些反常的径迹是反粒子造成的。

  

在狄拉克预言“反电子”之后,美国物理学家卡尔?安德森怀疑云室中另一半的电子就是“反电子”,于是他开始做实验来证明。1932年8月,他收集到了足够的数据,正式确认“反电子”的存在,并将它们命名为“正电子”。

  

至此之后,反物质成为了物理学以及科幻小说的一部分。

  

  

来自高空的身影

  

根据狄拉克方程,反物质会和普通物质遵守一样的自然规律。在这种情况下,宇宙中的物质与反物质的含量必须相等,所以有可能存在“反物质星球”和“反物质星系”,但是我们如何找到宇宙中的反物质呢?

  

1911年至1913年期间,奥地利物理学家维克托?赫斯多次搭乘了热气球,他可不是为了短途旅行,而是为了做实验。自19世纪末发现放射现象以来,人们一直认为粒子放射水平会随着海拔的升高而降低,因为人们认为海平面水平上的辐射来自岩石中的放射性元素。

  

赫斯将粒子探测器带在身边,乘坐热气球测试空中的辐射量。经历了很多次热气球飞行后,他发现了一个令人吃惊的结果:探测器的辐射量竟然是随着海拔高度的上升而增加的! 这完全违背了人们之前的想法。

  

于是,物理学家们提出了下一个假设:如果这些辐射来自太空,那么一定来自于太阳。赫斯对此又进行了实验,在一次全日食的情况下,他依旧带着探测器搭乘热气球飞行,他发现即使月球完全挡住了太阳,探测器的辐射量仍然跟之前一样,随着海拔的上升而增加。

  

他得出结论:辐射来自深太空。这些辐射叫做宇宙射线,它很快成为物理学家研究的焦点。

  

为了寻找反物质,天文学家将目标放在每时每刻轰击地球大气层的宇宙射线上。果不其然,1936年,科学家在宇宙射线中看到了正电子的身影。

  

  

搜索太空

  

2008年,美国俄亥俄州立大学加里?史德曼教授想到了另一种方法也许能找到宇宙中的反物质。因为有些时候巨大的星系团之间会相互碰撞,假设其中一个星系团是由物质组成,另一个则由反物质组成,那么它们碰撞后会相互湮灭,放出大量的X射线和伽马射线。

  

为了寻找反物质,史德曼将星际中“严重撞车事故”的产物——子弹星系团列为研究对象。他仔细查看了美国宇航局钱德拉X射线天文台和康普顿伽玛射线天文台的观测结果,但都没有什么重大发现,X射线和伽玛射线的量很少,那里大约每100万个粒子中才有3个反粒子。

  

同一年,科学家们在我们的银河系中发现了一朵庞大但稀薄的反物质云。 它围绕在银河系中心附近,并发出伽玛射线。欧洲航天局的射线卫星观测表明,这朵云并不在银河系的正中间,似乎是尾随着某颗散发X射线的恒星。这里的反物质可能不是宇宙诞生时遗留下来的,它们更有可能起源于恒星。这颗恒星周围有一个黑洞,当恒星周围的气体脱离恒星,会被黑洞“吃掉”,这个高能的过程将产生反物质。

  

不过,能释放反物质的不只有恒星。平均而言,每一小时左右,香蕉会吐出一个正电子。 这是因为香蕉中含有天然放射性同位素钾-40。当它衰变时偶尔会释放出一个正电子,而当正电子遇上第一个电子时,也会湮灭成能量,不过所释放的能量是微不足道的。而事实上,我们的身体里也有钾-40,也会发生这一过程。

  

可见,宇宙中、实验室里很容易就产生正电子,但它们不能完全代表原始反物质,我们需要寻找的是更重的原始反物质粒子,比如反氦核。

  

可是自然界中没有足够的力量来产生一个反氦核,只有宇宙大爆炸才能做到。所以,如果我们发现像反氦核这样的粒子,那么接下来可能会找到更多的原始反物质,甚至是拥有很多反物质的宇宙区域。如果检测到反碳核,那么意义就更加重大了。碳只能在恒星的“核熔炉”里形成,反碳核的现身,意味着太空中的某处存在“反物质星球”,这将是天文学一次伟大的突破。

  

  

反物质和物质 不是对称存在的?

  

2011年,阿尔法磁谱仪探测器被送到国际空间站,它是专门用来测量宇宙射线中反物质的数量和类型的。至2013年,阿尔法磁谱仪已经看到过40万个正电子,但没有发现其他种类的反物质。到目前为止,仍没有证据表明原始反物质潜伏在太空某处。

  

所以只剩下一种可能:反物质和物质虽然是对称的,但“性格”却不一样。

  

几十年来,粒子物理实验已经多次看到粒子与反粒子有不同的行为反应。

  

这要从所谓的“弱核力”说起,弱核力是自然界的四大基本力之一,亚原子放射性衰变就是由它引起的。弱核力,加上引力、电磁力,它们共同控制着规模巨大的宇宙。剩下的一种是强核力。强核力的作用范围很小,大约只有原子核般的大小。

  

1964年物理学家在研究K介子衰变时,发现K介子能自然衰变成反K介子,反K介子也可以衰变为K介子,但是这两个过程发生的频率却不一样。因此,一些科学家推测,宇宙在弱核力的作用下,也可能发生类似的情况——由于宇宙大爆炸时存在某些过程,更有利于物质的产生,或者说物质的产生频率更快。导致反物质的量不足,物质的量过剩了,而剩余的物质组成了今天的宇宙。

  

科学家给出的估计是每形成十亿个反物质,可能就会产生十亿零一个物质。

  

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中进行的实验加强了这个猜测,在面对弱核力时,物质和反物质确实有不一样的反应。

  

科学家参考了对撞机的数据,估测宇宙早期可以产生多少反物质,可惜答案并不是科学家们所期望看到的。之前给出的估计是每形成十亿个反物质的同时就产生十亿零一个物质,这意味着宇宙刚诞生时差不多有一半仍旧是反物质。

  

然而,根据实验结果,宇宙刚诞生时的反物质质量只相当于一个普通的星系。显然,这和科学家估计的情况有非常大的差异,说明反物质的研究任务还很艰巨。

  

宇宙到底有没有另一半?有的话,它会在哪里?反物质和物质为什么会有不同的行为?宇宙诞生之初究竟发生了什么事?这些问题仍尚待解决。可见浩瀚宇宙对于人类来说,依旧深不可测。

  

    

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