反物质

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时间:2017-02-11 16:01:29

摘要:我们周围世界的物质归根结底是由质子、中子和电子等基本成分构成的,不同数目的质子和中子结合在一起构成了不同的原子核,并形成不同的化学元素,而不同的元素又进一步结合成自然界的各种物质。而反物质,简单说,就 ...

我们周围世界的物质归根结底是由质子、中子和电子等基本成分构成的,不同数目的质子和中子结合在一起构成了不同的原子核,并形成不同的化学元素,而不同的元素又进一步结合成自然界的各种物质。而反物质,简单说,就是由反质子、反中子和反电子等反粒子成分构成的物质。

    简单说就是反粒子成分构成的物质

    反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在20世纪30年代预言,每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子,例如反电子,其质量与电子完全相同,而携带的电荷正好相反。

最简单的元素——氢元素的原子只包含一个质量极轻的电子和一个体形巨大(就原子级别而言)的原子核,原子核的成分则是一个质子。电子带有负电荷,质子则带有同样电量的正电荷。

与氢原子相比,“反氢原子”只有一个不同点:其内部粒子的电荷是相反的。于是,我们看到有一个体形巨大、居于中心、带负电荷的“反质子”操控着一个飘忽不定、重量极轻、带正电荷的“正电子”。

 

电荷吸引的原则并没有改变:无论对物质还是反物质而言,正负电荷都在互相吸引。因此,构成原子、组成分子、堆积成大块物质的那些电磁力应该同样可以构建出反原子、反分子和大块反物质。

   宇宙大爆炸时,巨大能量转化为等量正反物质

 

构成我们周围世界的物质都是正物质,我们很难找到反物质的存在。那么又是什么造成了宇宙中正物质和反物质的不对称呢?

一种容易让人接受的一种解释认为,150亿年前宇宙起源的一次大爆炸,能量转化为同样多的正物质与反物质,这两种物质相遇会发生剧烈爆炸,转化为能量,并归于湮灭。可是目前宇宙中的天体均为正物质,没有发现反物质天体,也没有观测到正反物质相遇时发生的猛烈爆炸。那么,人们推测可能是由于正反物质衰变率的微小差别,使正物质多于反物质,正反物质湮灭之后,剩下来的正物质构成了现在的宇宙天体,而反物质并不存在。

 

    探测到粒子CP破坏现象,有助于解释反物质消失之谜

 

这种推测放到物理实验当中,就是去探测粒子的CP破坏现象。构成物质的某种粒子(夸克或轻子或中微子)CP破坏程度越大,正物质衰变率与反物质衰变率相差越大,越可能解释正物质充斥宇宙的现象。在基本粒子的夸克部分首先观察到了CP破坏现象,但上千名科学家经过10年研究得出一致的结论:测量结果与宇宙中物质的实际结果差了100亿倍,破坏程度远不足以解释为什么现在还有这么多正物质存在。

1998年,日本的超级神冈实验以确凿证据证明了中微子也存在CP破坏现象,并称之为中微子振荡现象。中微子振荡现象的发现为解开正反物质之谜带来了新的希望。由于中微子难以捕捉,目前还不清楚中微子部分的CP破坏大小。如果CP破坏较大,就可能解释为什么我们的世界尽是物质而不是反物质。

但是还存在一个矛盾,就是宇宙大爆炸导致的物质与反物质应该相等,除非有某种机制使反物质衰变得比正物质快。如果找不到这种机制,宇宙大爆炸理论就不能自圆其说。或者它是错的,反物质藏在某个地方。

 

   如何制造和储存反物质

倘若能够在创造出反物质的同时防止其瞬间湮灭,这还真算得上一个不平凡的成就。事实上,物质与反物质相接触后导致的爆炸性后果是科幻小说最钟爱的题材之一:比如《星际迷航》中使用的能源,以及丹·布朗的惊险之作《天使与魔鬼》里的致命炸弹。在现实世界中,这样的应用成果即使能够成真,也不可能在短时间内成为现实。不过,原子级别的破坏确实给反物质的存储制造了麻烦:如果有东西会破坏掉与之接触的任何物质,你该如何保存它呢?

欧洲核子研究中心的科学家们已经成功解决了这一难题。首先,你需要制造出非常良好的真空环境,这样反物质就不会意外撞上某个在空中游荡的原子物质。其次,你必须保证反物质不会接触到容器的器壁,因为容器的成分自然是物质的。诀窍是要制造出一个“磁力瓶”,即不使用任何固体材料,而是利用一组电场和磁场。这些场能够囚禁反物质,防止其接触到磁体本身。

通过这种方法,科学家曾经借用磁力来控制大型正负电子对撞机等粒子加速器中的单个高能反粒子(包括反质子和正电子)。磁体会引导正电子在一条很长的环形管道内运动,管道内部的真空水平比外太空还要高。带电粒子流的运动速度则接近光速。

低能反物质的情况则有所不同。储存“低温”正电子的工具叫做“彭宁陷阱”,是荷兰物理学家弗兰·米海尔·彭宁想出的一个用一系列电场和磁场来囚禁反物质的方法。单个正电子每次能够在彭宁陷阱中储存几个月,供科学家研究。迄今的研究表明,除电荷性质相反外,正电子与电子完全一模一样。

不过,科学家能够一次性囚禁的正电子或反质子的数量是有限的。囚禁的同种粒子数量越多,其总电荷量就会越大。最后,电荷量会因为变得太大而对构成陷阱本身的各个电场和磁场造成破坏。

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