什么是反物质,有何作用,现在发现了吗?

什么是反物质,有何作用,现在发现了吗?
什么是反物质,有何作用,现在发现了吗?

什么是反物质,有何作用,现在发现了吗?
我们知道,把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源,它们都是由质子、中子和电子所组成的.这些粒子因而被称为基本粒子,意指它们是构造世上万物的基本砖块,事实上基本粒子世界并没有这么简单.在30年代初,就有人发现了带正电的电子,这是人们认识反物质的第一步.到了50年代,随着反质子和反中子的发现,人们开始明确地意识到,任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在. 电子和反电子的质量相同,但有相反的电荷.质子与反质子也是这样.那么中子与反中子的性质有什么差别?其实粒子实验已证实,粒子与反粒子不仅电荷相反,其他一切可以相反的性质也都相反.这里我们讨论一下重子数的概念. 质子与中子被统称为核子.人们从核现象的研究发现,质子能转化为中子,中子也能转化为质子,但在转化前后,系统的总核子数是不变的.50年代起的粒子实验表明,还有很多种比核子重的粒子,它们与核子也属同一类,这类粒子于是被改称为重子,核子仅是其最轻的代表,一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化,系统中的重子个数是不会改变的. 由于重子数的守恒性,两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的,那么反核子应当怎么产生?实验表明,反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的.例如 p+p → N+N+N+N'+若干 π介子 其中N代表质子或中子,N'代表反质子或反中子.反核子一旦产生,它常很快与周围的某个核子再相碰而成对地湮灭.例如 N+N' → 若干 π介子 按照这种说法推论,在宇宙的某个地方,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,它只有不与物质会合才能存在.可 物质与反物质怎样才能不会合?反物质在宇宙何方?这还是待解之迷. 对于比核子更重的重子,情况完全一样.反重子也总是与重子成对地产生,成对地湮灭的.这些经验使人们认识到,重子数的守恒规律需要重新认识. 现在人们把重子数B当作描述粒子性质的一种电荷.正反重子不仅有相反的电荷,而且也有相反的重子数B.令任一个重子都具有重子数B=+1,则任一个反重子都具有B=-1.介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数,即它们有B=0.重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B.这表述既反映了不涉及反粒子时的重子个数不变,也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭.现在我们容易理解中子和反中子的区别了,它们具有相反的重子数B,因此反中子能与核子相碰导致湮灭,而中子则不能. 此外,人们还类似地发现了轻子数的守恒性.中微子虽不带电,也不具有重子数,但它与反中微子具有相反的轻子数.按轻子数的守恒性,中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的,实验还表明,介子数和规范粒子数是不具有守恒性的.这样我们看到,电荷只是粒子的一种属性,另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性.正反粒子的这些属性也都是相反的. 1928年,英国青年物理学家狄拉克从理论上首次论证了正电子的存在.这种正电子除了电性和电子相反外,一切性质和电子相同.1932年,美国物理学家安德逊在实验室中发现了狄拉克所预言的正电子.1955年,美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子.此后人们逐渐认识到,不仅质子和电子,所有的微观粒子都有各自的反粒子. 这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界.然而问题并不那么简单.首先,在地球上很难发现反物质.因为粒子与反粒子碰到一起,就像冰块遇上火球一样,或者一起消失,或者转变为其他粒子.所以在地球上,反物质一旦碰上其它物质就会被兼并掉.其次,制造反物质相当困难而且耗费巨大,需要如SSC或LHC之类的高科技仪器,并且即使制造出反物质,也难以保存,因为地球上万物都由物质构成. 我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成.因此,这样的物质被称为正物质,由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质.从粒子物理的角度讲,正粒子和反粒子的性质几乎完全对称,那么为什么自然界有大量的正物质,而却几乎没有反物质呢?这正是我们现在要讨论的问题. 从根本上说,反物质就是物质的一种倒转的表现形式.爱因斯坦曾经根据相对论预言过反物质的存在：“对于一个质量为m,所带电荷为e的物质,一定存在一个质量为m,所带电荷为-e的物质（即反物质）”. NASA设想的正电子飞船(开发中) [编辑本段]有反物质宇宙存在吗? 从哲学角度来讲,这个问题很容易回答.我国古代的太极图似乎也暗示了它的存在,部分天文学家也认为有存在的可能,但现代天文学还拿不出令人信服的证据.否定反物质的人很多,美国宇宙学家施拉姆（Schramm）说：“大多数理论家的直觉,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.” 目前,由丁肇中主持的这项研究已有16个国家的科学家参与其中,投入的资金更是高达1000多亿美元.许多科学家表示：只要能发现宇宙反物质的存在,那么这将是当之无愧的诺贝尔奖.该探测器将于2005年发射升空并永久停留在太空,东南大学还将建立一个数据接收分析中心和培训中心作为配套项目.丁肇中认为,如果反物质确实存在,当正物质与反物质碰撞时可以产生巨大的能量.他现在所主持的“寻找宇宙中的暗物质和反物质”的研究已进行多年,目前已取得一些重要成果.“但是,从这一领域发展的历史来看,人们要有思想准备,也许我们会发现意想不到的东西,与原先想研究的东西毫无关系.”丁肇中很慎重地表示. 从拉普拉斯大预言谈起 天体有巨大的引力,在巨大的引力作用下,会发生各类反应,并发光发热.物极必反,拉普拉斯（P?S?Laplace）曾经大胆预言：宇宙中最大的天体有可能是看不见的.当引力随质量增大时,天体会变成一个一无所有的区域,既不发热,也不发光,现在我们称之为“黑洞”（Black Hole）.因此宇宙更多的是由不可见的暗物质或反物质组成,我们肉眼和天文仪器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙结构,这些物质只占宇宙总体的10％,90％的物质是以暗物质或其他结构形式存在.显而易见,对可见物质的巨大引力的存在表明了暗物质或反物质的存在.可是我们用光无法探测到,用红外线、紫外线和X光都无法探觅到它们的足迹. 同样的,对应着现存的星系结构体系,有由相反的反宇宙结构体系存在吗?其实早在1898年,一位英国物理学家就提出：与物质存在一样,有一个镜像对应的反物质存在.受当时科学水平和试验条件的限制,这个反物质概念没有一点事实依据,因此在宇宙深处存在由反物质组成的宇宙恒星云只能属于纯粹意义上的假说. 1997年科学家宣布发现了“银心反物质喷泉”极大地震撼了整个物理学界,使科学家们寻找反物质的热情一下子高涨起来. 1998年6月3日,由丁肇中教授发起的带有全球意义的寻找宇宙反物质事件,使得这一领域一度成为全球科学家最为关注的焦点. [编辑本段]奇妙的反物质世界 爱因斯坦早年可能也意识到了反物质的存在,从他的研究中我们会发现一些蛛丝马迹.他曾建立了一个物质总能公式：E=√C2P2±M2C2 根据这个公式推算,物质的总能量有正负两个值,这意味着,世界上存在负物质.我们更关心的是,有反物质世界存在吗?这不禁会使人联想到美国电影《费城实验》,其实这个实验是有生活依据的. 1943年12月,美国海军在费城进行了一项秘密实验(The Philadelphia Experiment),试验成功地将一艘驱逐舰及全体船员投入到另一空间.在实验过程中,实验人员启动脉冲和非脉冲器,使船只周围形成了一个巨大的磁场.随后整条船被强磁场所产生的绿色烟雾包围着,船只和船员也开始从人们的视线中消失.军方在停止实验后,却惊奇地发现他们的驱逐舰在眨眼之间已经驶到了远在470公里开外的诺福克（Norfolk）码头.这个实验令很多科学家目瞪口呆.相传,此后一些船员身上仍留有实验的反应,不论在家里,在街上,在酒吧间或饭店里,都会突然地消失又重现,让旁观者惊讶不已. 参与这项实验的吉索普（Morris K?Jessup）博士认为,强烈的磁云能够重新排列人类和物质的分子结构,使其进入另外的时空. 费城实验的进行在科学上具有深远的意义,它不仅证实了自然界中的确有另外的空间存在,同时也表明了将人类及装备暂时投入另一空间的可行性. 可是要是我们找到了反物质世界,并且走了进去,那才真正发现一个奇妙的世界呢.所有的物理定律都要翻个个儿,正如科幻小说家描写的那样,在反物质世界里,力的作用恰好相反,你如想抬起反物质物体,就得把物体向下按；反物质做成的钉子,先要对准墙向外拔它,它才会钻进墙里.我们的基础理论仿佛在一夜间就变了个样,谁也不敢想像在这样的世界里究竟会发生什么或者正在发生什么. （前提,你不会与反物质发生湮灭,) [编辑本段]宇宙中有反物质天体吗? 粒子实验已证实,正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样,因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核,反核和反电子结合在一起,就能组成反原子.我们的正物质世界有多少种原子,相应在反物质世界中也能有多少种反原子,而且它们在结构上将是完全没有区别的,延伸起来讲,大量反原子可以构成反物质的恒星和星系.如果宇宙中正反物质为等量,那么这样的反恒星和反星系就应当存在.因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗? 要由观测来分辨远处星系由物质构成或反物质构成并不容易,至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子.原则上,正物质天体若辐射光子,那么同样的反物质天体应当辐射反光子.但是光子是纯中性的粒子,因此光子与反光子是同一种粒子.这样,天文学家通过可见光、射电、X射线或 γ 射线观测,原则上无法区分他的目的物是由物质构成还是由反物质构成.恒星和星系除了辐射光子外,它们还辐射中微子.中微子与反中微子很不一样,如果天文学家能接收中微子,那么他就能区分物质天体与反物质天体.可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱,造一个能接收它们的仪器很困难.今天用这办法来区分物质天体或反物质天体还办不到.那么让我们问：与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组成吗? 月亮是离我们最近的天体,由地面出发的宇航员已在月球上登陆过.如果月球是由反物质组成的,那么在那位宇航员与月球接触时,湮灭过程早已把他转化为介子了.这是直接证据,表明月亮是正物质天体.至于太阳,那是人类没有可能登陆的地方.那么怎么才能知道它不是由反物质组成的呢?太阳表面的气体很热,其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度,这就是太阳风的起因,若太阳是反物质恒星,太阳风就由反原子组成,它吹到行星上,就会和行星的正原子相湮灭.于是正物质组成的行星会逐渐消失掉,这种消失过程没有发生,就证明了整个太阳系中没有反物质天体.这样,如果要存在反物质天体,它至少应在太阳系之外. 1979年,美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空,气球上载有一批十分灵敏的探测仪器,结果,它在高空猎取了28个反质子.这是在地球以外第一次发现的反物质.除此之外,还在星际空间发现了反物质流. 把眼光放远到整个银河系,要问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中,会有一部分是反恒星吗?今天人们也已能肯定地回答：不会有.我们从地面上能接收到太空中飞行的宇宙射线.观测统计表明,宇宙射线粒子中反质子仅是质子的万分之几,并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物,而不是原始的,此外宇宙射线中有很少的 α 粒子（即氦核）,但是反 α 粒子却一个也没有发现过,这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的.如果银河系中有反物质恒星,那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭.湮灭产生的 π 0 介子将很快衰变而成 γ 光子.因此这种湮灭过程是能够通过 γ 射线的观测来发现的.正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的 γ 光子,使人们知道,银河系中并没有反恒星的存在,整个银河系都是由正物质组成的.
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