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反物质

物质是一种人类陌生的物质形式,在粒子物理学里,反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的。反物质和物质是相对立的,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭并释放出高能光子或伽玛射线。1932年由美国物理学家卡尔安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。到目前为止,已经发现了300多种基本粒子,这些基本粒子都是正反成对存在的,也就是说,任何粒子都可能存在着反粒子,2010年11月17日,欧洲研究人员在科学史上首次成功"抓住"微量反物质。2011年5月初,中国科学技术大学与美国科学家合作制造了迄今最重反物质粒子--反氦4。2011年6月5日欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过15分钟。同时在自然界也有'反物质'的能动能效--反应为反物质凝聚。

2016年3月,中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近日利用超强超短激光,成功产生反物质--超快正电子源,这一发现将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断等领域具有重大应用。相关研究成果已于近日发表在《等离子体物理》杂志上。

反物质是一种假想的物质形式,在粒子物理学里,反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的。物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭并释放出高能光子或伽玛射线。1932年由美国物理学家卡尔安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。2010年11月17日,欧洲研究人员在科学史上首次成功“抓住”微量反物质。

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(电子(Electron)是一种带有负电的亚原子粒子),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。

反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时,双方就会相互湮灭抵消,发生爆炸并产生巨大能量(E=mc)。能量释放率要远高于氢弹爆炸。 在丹布朗的小说《天使与魔鬼》里,恐怖分子企图从欧洲核子中心盗取反物质,进而炸毁整座梵蒂冈城。与此类似的是,YQZ的小说《末日大逃亡之地球毁灭》中,男女主角在费米国家实验室科学家的帮助下,成功地用运载35克反物质的洲际导弹炸毁了撞向南极洲飞船基地的中子星,而它曾经受数千枚核弹狂轰滥炸却毫发无伤。

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(A)。 且电子的自旋量子数是-1/2而不是正1/2。

欧洲航天局的伽马射线天文观测台,证实了宇宙间反物质的存在。他们对宇宙中央的一个区域进行了认真的观测分析。发现这个区域聚集着大量的反物质。此外,伽马射线天文观测台还证明,这些反物质来源很多,它不是聚集在某个确定的点周围,而是广布于宇宙空间.

正电子、负质子都是反粒子,它们跟通常所说的电子、质子相比较,电量相等但电性相反。科学家设想在宇宙中可能存在完全由反粒子构成的物质,也就是反物质。

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。也就是说在中子转变为质子的同时,质子也在转变为中子。

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。

反物质就是正常物质的镜像,正常原子由带正电荷的原子核构成,核外则是带负电荷的电子。但是,反物质的构成却完全相反,它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。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)”。按照物理学家假想,宇宙诞生之初曾经产生等量的物质与反物质,而两者一旦接触便会相互湮灭抵消,发生爆炸并产生巨大能量。然而,出于某种原因,当今世界主要由物质构成,反物质似乎压根不存在于自然界。正反物质的不对称疑难,是物理学界所面临的一大挑战。

在多数理论家看来,宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。因此,三千万光年的范围内没有反物质天体,已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信,极早期宇宙中正反物质应当等量。这样,需要做的事是寻找物理机理,来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态。这里,理论家也遇到了非常尖锐的困难。

按照大爆炸理论,甚早期宇宙介质的温度非常高。粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。当粒子的成对湮灭与成对产生达到统计平衡,宇宙介质就是一切基本粒子构成的混合气体,且任一种稳定或不稳定的粒子都有接近相等的数密度。至于重子和反重子的数目是否严格相等,这不是由物理规律决定,而是由初条件决定的。

在理论家看来,在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出,若这想法是对的,重子的守恒性立即会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至10 ^13 K以下,由于粒子的热动能已不够,热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终,宇宙中将既没有重子,也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景。事实上,今天宇宙中光子的数目最多.重子的数目是它的十万万分之一左右,反重子的数目很可能还要低许多量级。如果重子数B的守恒性是严格的物理规律,要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后,理论家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子,那么问题的出路在哪儿?

重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗?至今难以计数的粒子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例,但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴。化学反应

是元素的重新组合。经验表明,在重组合的前后,每一种元素的原子数是守恒的,无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败,更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识后人们已清楚知道,汞变成金完全可能,关键在于要有高的能量让原子核发生变化。化学反应是在粒子能量小于1eV的条件下进行的,这条件下原子核不能相互接触,核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过1MeV,原子核之间就能充分接近,那么原子核就能变化了,原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来,原子数在化学过程中的守恒不是偶然的,但是它仅是低能下的唯象规律,而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理,重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律,而不是普遍成立的。当粒子的能量更高,重子数的守恒性完全可能会不成立,这正是今天的理论家看到的出路。

从70年代中期起,粒子物理中由弱电统一理论的成功,掀起了研究相互作用大统一的潮流。按这样的理论,高能下发生破坏重子数守恒的过程是自然的事,粒子物理中的这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合了。于是这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展。人们已清楚,要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质为主的状态,除了重子数守恒须可能被破坏外,正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别。由于超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握,因此实际上自然界是否确实具备这两个要素,尚不能回答,人们正在试探和摸索之中,如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实,问题是否能按这思路得到解决也还并不完全肯定。

总之,为彻底揭开宇宙反物质之谜,前面还有漫长路要走。人们已能预料,这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的,它对物理学的影响也将是很深刻的。

下面是小说《天使与魔鬼》(丹布朗著)中提到的一些:

反物质是人类目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率释放能量(核裂变的几率是百分之一点五)。反物质不造成污染,也不产生辐射,一小滴反物质就可以维持整个纽约城全天的动能。先别过于乐观,其中可隐藏着危机……

反物质极不稳定,它可以把接触到的任何东西化为灰烬……连空气也概莫能外。仅仅一克反物质就相当于20万吨当量的核炸弹的能量比当年扔在广岛的那颗原子弹要强2000多倍。

当物质与反物质接触,原子最外层的电子因为所带电荷相反而抵消,原子核中的质子也因同样的原因相互抵消,而反中子因磁性与中子相反而与中子进行强烈的碰撞发出惊人的能量。爱因斯坦曾计算过这种完整的能量释放比率,跟这种完全的能量释放相比,核裂变就像划燃一根安全火柴一样微不足道。

在金山的网络FPS游戏《热血战队》的背景中也有所涉及。

1998年的夏天,美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。由于我国参与了这项研究,因此新闻媒体曾热心地宣传过它。美国著名华裔科学家丁肇中也正致力于此。

如果相信宇宙中有等量的物质和反物质,那么在三千万光年之外应有大范围的反星系区存在。在那里,原始的宇宙射线应是由反质子和反 α 粒子组成的。那里的部分宇宙射线粒子会飞进我们这个由正物质构成的区域。由于星系际大部分地方很空旷,气体的密度约只有每立方米一个质子的质量。因此反原子核可自由地飞行很长的距离。这样,放置在地球大气层之外的磁谱仪就能接收到它。这就是阿尔法磁谱仪计划的基本想法。

上面已提到,实际测到的并不只是原始的射线粒子,它也包含由中途碰撞产生的次级粒子。因此当我们从宇宙射线中发现了反质子,它并不说明远处一定有反物质天体区存在。这些反质子完全可能是次级产生的。反原子核就不一样。它是由若干个反核子结合而成的复合体,所以不可能是碰撞产生的次级粒子。因此,如果能从宇宙射线中观测到那怕只有一个反 α 粒子,它将是有力的证据,表明远处有反物质天体存在。阿尔法磁谱仪能同时准确地测定飞入仪器的粒子的质量和电荷。当太空中有反 α 粒子飞入磁谱仪,它是容易被分辨出来的。这正是设计者所期望的事。现在阿尔法磁谱仪升空已有一年了,它接收到的信息正在陆续送回,其结果无疑非常令人关注。

若阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在,那它肯定是一个里程碑式的成果。它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体,更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。在早期宇宙中,正反粒子必是混合的。按现有的物理理论,没有一种己知的作用力能使它们发生大范围的分离。因此,如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质,物理学将需要突破性的变化。

宇宙中果真存在神秘的反物质,它们在哪里?记者昨天从中科院高能物理所了解到,为解开这个世纪之谜,中国和意大利在西藏海拔4300米的羊八井地区,将建成世界上第一个1万平方米“地毯”式粒子探测阵列实验站,用以接收来自宇宙的高能射线和反物质粒子。 

据高能物理所天体宇宙实验室研究员卢红博士介绍,宇宙高能射线是人类能获得的惟一来自太阳系以外的物质样本。长期以来,它一直是科学家探索宇宙奥秘的研究对象。自从宇宙大爆炸理论出现后,科学家又一直致力于从宇宙射线中找到猜想中的神秘的反物质。但迄今为止,科学家们都未能找到反物质的踪迹。 

据了解,中国和日本科学家早在十年前已在羊八井地区设置了分散的外观如蜂箱的粒子探测器,开展了宇宙射线的研究。先后接收到了正电子、μ子、л介子等高能粒子。而改建新的“地毯”式探测阵列,除了面积更大,还由于它是由玻璃板一样的方形平板组成,可以像铺地毯一样拼接而几乎没有缝隙,弥补了过去间距过大,丢失信息的缺点。 

目前,容纳粒子探测陈列的一万平方米的实验厅已于6月完工。中意两国科学家现在正在铺设“地毯”,铺设和调试工作大约需要两年时间。据悉,此项世界上海拔最高的科学工程,已得到中意两国政府的约8000万元人民币的支持。

欧洲核子研究中心的科学家们在欧洲当地时间的2010年11月17日表示,通过大型强子对撞机,他们已经俘获了少量的“反物质”。当然,这些“反物质”只是少量的反氢原子而已,但这一发现也是引发了科学家极大的反响。 

位于日内瓦的欧洲核子研究中心一直以来也在为破解这一难题而不懈的努力。欧洲核子研究中心拥有世界上能量最高的粒子对撞机大型强子对撞机,这一对撞机的使命就是探究宇宙的起源,寻找那些未经证实的可能存在的物理现象。 

在17日研究人员宣布,在经过了不懈的努力之后,大型强子对撞机终于发现了几十个氢原子的‘反物质’。罗布汤普森教授表示:“尽管发现的只是反物质的冰山一角,但这毫不影响这一发现的重要性,这是一次重大的突破,有利于我们更好的了解宇宙的性质和起源”。 

罗布汤普森教授说的没错,反物质的发现将会引领人类的变革,使得人类的星际旅行之梦将成为现实。此前在大量的科幻小说中,用于星际旅行的飞船都是以反物质作为燃料的。举个最简单的例子,如果想把人类送上火星,那需要千万吨以上的化学原料,而如果是以反物质为燃料的话,仅需要几十毫克,同时时间也大为缩短,只需要6周的时间就可以到达。 

这项新的研究将会发表在《自然》杂志上,同时还包括了欧洲核子研究中心专家在此过程中所起到的举足轻重的作用,以及探讨究竟这些科学发现者扮演者天使还是魔鬼的角色。来自英国的斯旺西大学的查尔顿教授最后对于这一发现做了自己的论述:“现在的宇宙基本是由普通物质所垄断,但我们必须要了解宇宙的全貌,否则我们可能身处危险之中却全然不知,氢是宇宙中最重要的元素,发现它的反物质,具有非凡的意义。”

英国《自然》杂志网站17日刊登研究报告说,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家成功制造出多个反氢原子,并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功“抓住”反物质原子。

氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上,欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子,但只能存在几个微秒的时间,就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于,制造出数个反氢原子后,借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”约0.17秒。

这个时间听起来似乎仍然很短,但对于科学家来说,这个时间长度已十分难得,可以对反氢原子进行较为深入的观测和分析。因此,这一成果被看作是物理学领域的一大突破,将大大推动有关反物质的研究。

现在,大型强子对撞机要对撞1千年才能够对撞出一微克反物质。

2010年11月17日,有媒体说,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家成功制造出多个反氢原子,并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功“抓住”反物质原子。

人类首次捕获到反物质 500克能量可超过氢弹。 欧洲科学家成功制造出多个反氢原子,并使其存在了0.17秒,这是物理学界的突破性发现,也是人类首次捕获到反物质。500克反物质的破坏力可以超过世界上最大的氢弹。

氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上,欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子,但只能存在几个微秒的时间,就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于,制造出数个反氢原子后,借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”约0.17秒。

这个时间听起来似乎仍然很短,但对于科学家来说,这个时间长度已十分难得,可以对反氢原子进行较为深入的观测和分析。因此,这一成果被看作是物理学领域的一大突破,将大大推动有关反物质的研究。

反物质至今都是物理学领域的一大谜团。我们周围环境中的物质是正物质,它由原子组成,原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反,由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质。反物质只要和正物质相遇就会湮灭,因此虽然现行理论认为宇宙从大爆炸中诞生时产生了等量的正物质和反物质,但我们很难在宇宙中找到反物质。寻找和研究反物质因此也成为物理学领域的热点和难点。

星际迷航可降“魔”

在美国科幻片《星际迷航》里,宇航员把反物质用作星际飞船燃料。而在美国作家丹布朗畅销小说《达芬奇密码》的姊妹篇《天使与魔鬼》中,犯罪集团企图从欧洲核子研究中心盗取反物质,用以炸毁整座梵蒂冈城。

反物质,正常物质的反状态,极不稳定而几乎不存在于自然界。研究人员8年前在实验室里制成反物质,但这些反物质一接触容器壁便瞬息湮灭。抓不住,便无从加以深入研究。

英国《自然》杂志网站17日发布报告,欧洲研究人员在科学史上首次成功“抓住”微量反物质。

首次“抓住” 巧设“磁瓶”克服湮灭

研究人员2002年在真空环境里造出反氢原子,但造出后不到片刻便已湮灭。如今,欧洲核子研究中心研究员首次成功“抓住”这种反物质。

鉴于反物质接触容器壁后便即消失,研究人员利用特殊磁场对反物质加以捕获。

谈及这种看不见、摸不着的捕捉方式,丹麦奥胡斯大学教授杰夫杭斯特告诉英国广播公司(BBC)记者,反氢原子具有“少许磁性”,“你可以把它们想象成罗盘指针,能够利用磁场探知它们的存在。我们制成一只强有力的‘磁瓶’,在里面造出反物质”。

另外,反氢原子运动速度不能太快,否则便难以捕获。杭斯特所在研究团队花费5年时间,设法让反氢原子温度降至0.5开氏度,相当于零下272.65摄氏度、即接近绝对零度,使反氢原子处于低能量状态。

“如果它们运动得不至于太快,那么就算被‘抓住’了”杭斯特说。

理论测算 500克反物质超过氢弹

丹布朗在畅销书《天使与魔鬼》中把反物质描述成人类目前所知威力最大的能量源。它能以百分之百的效率释放能量,不造成污染,不产生辐射,一小“滴”便可维持美国纽约全天所需能量。

从理论上说,不到500克反物质的破坏力超过世界上最大氢弹的威力。

不过,研究人员首次捕获的成果为38个反氢原子,持续时间为五分之一秒。这等数量的反物质不足以让一只100瓦灯泡发光二十亿分之一秒,更别提用作剧烈炸药。

杭斯特教授解释道,研究人员掌握捕获反物质技术后,今后可在具体操作程序层面加以“微调”,便有望制成数量足够多、保存时间足够长的反物质,为进一步研究打开一扇门。

前景展望 有助破解宇宙起源之谜

爱因斯坦预言过反物质的存在。按照物理学家假想,宇宙诞生之初曾经产生等量的物质与反物质,而两者一旦接触便会相互湮灭抵消,发生爆炸并产生巨大能量。

然而,出于某种原因,当今世界主要由物质构成,反物质似乎压根不存在于自然界。正反物质的不对称疑难,是物理学界所面临的一大挑战。

反物质的发现,使人们联想上世纪许多不解之谜,其中最为著名的莫过于“通古斯大爆炸”。1908年6月30日凌晨,俄罗斯西伯利亚通古斯地区遭遇从天而降的“火球”,大片原始森林顷刻化为灰烬。至于爆炸起因,一些人推断是小行星撞击,一些人猜想是反物质所致“湮灭”。

深入研究反物质,是解开宇宙起源之谜的重要环节。

“我们希望查明,物质与反物质之间是否存在某些我们尚不知道的区别,”杭斯特说,“这种区别或许存在于更基本层面,或许牵连宇宙起源时某些高能量活动。”

“这就是为什么能够‘抓住’它们(反物质)是这般重要,因为我们需要时间研究它们。”

2008年11月17日有媒体报道:今年九月,美国格林空军基地“革命性弹药”研发小组的负责人肯尼斯爱德华兹,突然现身美国五角大楼,向美军高官汇报他的最新研究成果。肯尼斯爱德华兹说: “我们在反物质武器的研究上已获得重大突破我们成功研发了一种能长期有效储存反物质的容器,这意味着反物质的军事用途即将成为现实!” 

反物质是英国科学家狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)于1928年根据推测出来的,1933年12月12日,他因此获得诺贝尔物理学奖金。狄拉克注意到,在相对论方程和量子电动力学的方程中,质量都是成平方出现的,那就是说 m2=(m)(m)=(-m)(-m)[相对论: W2/C2-PR2-m2C2=0和量子力学理论: [W2/C2-PR2-m2C2] Ψ=0 ],那么这个负质量是什么意思呢?于是反物质就被狄拉克这样轻松地从理论上推导出来了。由此看来,诺贝尔奖有时候就是如此简单,只是我们都视而不见或胆量不够,因为狄拉克为此也曾一度被众多科学家们讥讽为疯子。现在,组成物质的12种基本粒子的全部反粒子都已经被科学家在加速器中找到。美国实验物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪----AMS被送到太空,就是为了寻找太空中的反物质以及由反物质组成的宇宙。因为反物质和物质相遇就会湮灭,所以反物质无法在自然界找到,必须要到太空深处去寻找。位于法国和瑞士边界,耗资80亿美元,由2000多名物理学家花费14年时间建造的大型强子对撞机---(LHC),已经在2008年9月10日首次运行,用来探索反物质和宇宙大爆炸开始后万亿分之一秒内宇宙中物质的组成。根据宇宙大爆炸理论,爆炸形成的物质和反物质应该是对称的,可是我们的宇宙中物质和反物质却是不对称的。否则它们相互湮灭,也就不会有你我以及这宇宙和宇宙中的一切了。那么与我们的宇宙物质对称的反物质哪儿去了呢?1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在,就意味着存在天然的反物质,也意味着人类直接从天然得到反物质的可能性,同时物质与反物质之间的万有斥力,也可以帮助我们解释为什么我们的宇宙在加速膨胀。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。物质和反物质在湮灭时会产生巨大的能量,并且不会像核弹那样产生放射线污染,所以被认为是一种最理想的清洁能源。但是科学往往都是一把双刃剑,可以造福人类,当然也可以给人类带来巨大的灾难。由几克反物质制造的炸弹就能毁灭地球,1克反物质产生的能量,就足以为23架航天飞机提供动力。反物质的应用,可以从根本上改变能源供应的模式,将会是一场能源革命。但是由于目前是由加速器产生的高能粒子打击固定靶产生反粒子,再经减速合成的,此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,且生成反物质的速率极低,生产一千亿分之一克的反物质,需要耗资近60亿美元,因此尚不具有经济和应用价值。

前不久,一个由日本和美国科学家组成的研究小组,计划从今年开始在南极上空放飞气球,捕捉反物质天体释放出的反粒子,寻找反物质天体如友星系存在的证据.目标是观测低能反质子和反氦原子核。自1933年以来,日美研究小组曾在加拿大用气球进行观测,该地区受地球磁场和大气影响小.但为了不让气球飞跑,必须当天回收。而在南极上空,气球可持续飞行两周,观测数据能大幅度增加。

目前,人们发现和制造的反物质粒子虽然不多,但正电子作为反物质的一种形式,已经有了许多实际用途。例如,正电子发射X射线层析照相术(PET),医生利用PET扫描不仅能得出病人软组织的详细图像,而且能够观察他们体内的化学过程,其中包括在进行认识活动时大脑各部分消耗“燃料”的速度。

反物质能潜在且十分诱人的用途是用来制造星际航行火箭的超级燃料。将氢和反氢混合湮灭来获得能量,这种燃料的0.01克所产生的推力相当于120吨由液态氢和液态氧组成的传统燃料(B)。此外,利用反物质能进行星际旅行,还可以减少携带燃料的质量,进一步提高飞行器的飞行速度。

是否存在反物质

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。该探测器已于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(Pierre-Simon;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。

是否存在反物质天体

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,反原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。

我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系,原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空,而是弥漫着很稀薄的气体。因此,若既有正物质星系又有反物质星系,那么正反物质必会相遇,相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 γ 射线,而没有找到过。于是得出结论:在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生,由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。

在这样的结果面前,人们的看法分成了两种。一种认为宇宙中正反物质应当是等量的,需要的是从更远处去寻找反物质星系存在的证据。另一种认为事实已暗示,宇宙中没有大量的反物质存在,需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。

主流的观点似乎已经在寻找造成今天的宇宙中没有大量的没有反物质的原因。Omne等经讨论过物质及反物质的分离机制。他的结论是,只有在宇宙的早期,例如年龄t<10^-8秒时,才可能存在有效的分离过程。然而,当t<10^-8秒时,宇宙视界中的物质含量小于10^-6MO。也就是说,该时所形成的分离区的尺度不会大于10^-6MO。这样,为了与现今的观测相符,我们还必须寻找由小区并合成大区的机制。如果要求从10^-6MO的小区变成10^15M0的大区,这需要10^21个小区并合为一才行。而且,在并合期间又要求物质区只与物质区并合,物质区与反物质区之间很少并合,否则将明显地改变微波背景辐射以及早期的核素生成。实际上我们找不到能满足这种奇特要求的并合过程。所以,合理的推论应当是;现今的整个字宙中不存在或极少存在反物质。

另外一个问题是:“黑洞”究竟是由正物质组成呢?还是由反物质组成?很明显,由于事件视界的遮盖,黑洞的物质构成我们无法探究,但由于黑洞的形成过程是已知的大多由恒星坍缩形成,而我们周围的恒星没有由反物质构成的,在黑洞坍缩过程中不存在大规模物质、反物质的变化(由于坍缩过程中的高能反应会产生少许反物质),所以可以推断我们观测到的疑似黑洞的天体是由物质构成的。

一些科学发现,常常使人们目瞪口呆,难以置信。而正是这些难以置信的发现,推动了人们对客观世界的认识和科学的进步。反物质的发现就是这样。

1932年,美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子,它的质量和带电量同电子一样,只是它带的是正电,而电子带的是负电。因此,人们称它为正电子。

正电子是电子的反粒子。

正电子的发现引起了科学界的震惊和轰动。它是偶然的还是具有普遍性?如果具有普遍性,那么其它粒子是不是都具有反粒子?于是,科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找的目标。

1955年,在美国的实验室中反质子被找到了。后来,又发现了反中子。60年代,基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地“挖掘”了出来。

反物质的发现,使人们自然地联想起了本世纪的许多不解之谜。 最著名的是被称为“世纪巨谜”的通古斯大爆炸。1908年6月30日凌晨,俄国西伯利亚通古斯地区的泰加森林里,突然发生了一场剧烈的大爆炸。随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响,一片沉睡的原始森林顷刻化为灰烬。大火吞没了数百公里之内的城镇和生命,融化了冰层和冻土,引起山洪暴发、江河泛滥,仿佛"世界末日"到了。据估计,这次爆炸的威力相当于上百颗氢弹一起爆炸!

通古斯爆炸震惊了全世界,"通古斯"也一夜之间名扬全球。由于西伯利亚的严寒和交通不便,直到1921年才由前苏联的一个研究小组第一次前去考察。以后世界上其他国家相继派团考察,但至今通古斯大爆炸之谜依然众说纷纭,莫衷一是。其中一种说法便认为是反物质引起的"湮灭"现象。因为这种能级的爆炸除非是流星或陨石坠落,否则无法解释,而那里却没有任何陨石碎块。

1979年9月22日,美国的一颗卫星拍摄了发生在西非沿海一带的酷似强烈爆炸的照片,经分析,它的强度相当于一次核爆炸。当时,只有美、苏、英等少数几个国家拥有核武器,谁会到如此遥远的地方进行核试验呢?美国政府几经调查,否定了核爆炸的可能性,认为是卫星和陨石撞击使仪器发错了信号,但第二年,这颗卫星又在同一海域记录到了与上次相同的现象,令政界和科学界大惑不解。对坚持通古斯大爆炸是反物质"湮灭"现象的科学家来说,又多了一个论据。

1984年4月29日晚10时许,日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时,副机长突然发现飞机的前方有一团巨大的"蘑菇云",而且急速向四周扩散,天空一片灰蓝……与此同时,荷兰的一架班机和这条航线上的其他两架飞机也见到了这种现象。降落后,获悉消息的美国当局立即对这四架飞机及机上人员进行放射性污染测试,结果,没有发现任何放射性污染的痕迹。目击者十分肯定地说这是核爆炸产生的烟雾,因而留下了又一个上世纪的"爆炸之谜"。 

反物质的研究者认为,宇宙中存在着我们看不见摸不着的"反物质世界",它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的"负核",外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的"正物质"接触,便会在瞬间发生爆炸,物质和反物质变为光子或介子,释放巨大能量,产生"湮灭"现象。

与此同时,人体自燃之谜也可以利用反物质与人体接触的理论得以释疑。

"反物质说"虽然只是科学上的一种假说,还有待证实,但反粒子等"负性物质"是确实存在的,而且现在又发现了反氘、反氢、反氦等等一系列反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入,人们对反物质作用的认识一定会越来越深刻,反物质世界必将为人类做出应做的贡献。

神秘“反物质”或许将成为人类的“末日武器”。欧洲核子研究中心的科学家们在欧洲当地时间的2010年11月17日表示,通过大型强子对撞机,他们已经俘获了少量的“反物质”,尽管只是少量的反氢原子而已,但已被科学界视为人类研究反物质过程中的一次重大突破。

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