反物质世界是什么?反物质到底在哪里?

反物质世界是什么?反物质到底在哪里?
反物质世界是什么?
反物质到底在哪里?

反物质世界是什么?反物质到底在哪里?
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,如同普通物质是由普通粒子所构成的.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,且因而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.
如果你要列举这个标准模型(物理学家对物质和它的相互作用进行的成功描述)的缺陷,我们不能存在的预言很有可能是合适之选.据这个理论说,宇宙大爆炸产生了相同数量的物质和反物质.它们可能在宇宙形成片刻后就相互消灭了对方.然而事实证明,我们确实存在.而且行星、恒星和星系也真实存在；我们看到的一切由物质构成的东西都真实存在.
有两种看似可行的方法可用来解决这种有关存在问题的谜.第一种是,物质和反物质的物理性质可能存在轻微差别,这使早期的宇宙充满过多的物质.虽然理论预言反物质世界可以映出我们的完美身形,但是试验证实,我们在镜子中发现一些可疑的擦痕.1998年,欧洲粒子物理研究所进行的实验显示,一种特殊粒子,即K 中介子时不时转变成反粒子,故而使物质和反物质之间失去平衡.
随后科学家利用加拿大和日本的粒子加速器进行试验,结果在2001年发现类似现象,不过这次他们在更重的K 中介子同位素B介子之间发现更加不均衡的现象.今年迟些时候一旦欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机开始恢复运行,它进行的大型强子对撞机B介子试验,将利用一台4500公吨重的探测器寻找数十亿个B介子,以便更加准确的揭开它们隐含的秘密.
但是大型强子对撞机B介子试验可能不会为我们提供揭开反物质消失之谜的答案.牛津大学粒子物理学家弗兰克·克洛斯说：“这种影响似乎太小,根本无法解释物质和反物质间存在的巨大失衡现象.”解释物质之谜的第二个答案,是在宇宙形成后的数秒里,物质和反物质的湮灭并不充分：物质和反物质在相互消灭对方的过程中设法逃逸出来.反物质可能就隐藏在宇宙的镜像区,那里可能存在反恒星、反星系,甚至是反生命.
克洛斯说：“这不是一个非常愚蠢的想法.”他指出,当一块热磁体变凉时,个体原子会迫使它们周围的原子与磁场结合,产生指向不同方向的磁域(domains of magnetism).宇宙在大爆炸后的冷却过程中,可能也出现了类似现象.他说：“最初可能物质多一些,或者反物质多一些.”随着时间推移,这种微小差异扩展到宇宙的各个区域.
如果这种反物质域确实存在,它们一定不在我们附近.恒星和反恒星交界处发生的物质湮灭,可能产生了高能伽马射线.如果一个反星系与正常星系相撞,反物质所占的比例将会非常大.我们还从没看到过这种迹象,但是迄今为止还有很多宇宙区域我们都没看到过,这些区域距离我们非常遥远,我们可能永远都无法看到它们.
如果发现反氦或者其他反原子比重氢更重,这可能是证明反宇宙的证据.反恒星可能通过核子融合,构成反原子,这个过程跟普通恒星合并成常规原子一样.价值15亿美元的阿尔法磁谱仪的设计目的,是通过宇宙射线寻找这种迹象.现在它还静静的呆在地球上,等待着飞往国际空间站,不过该磁谱仪有可能会搭乘美国宇航局在2010年或2011年实施的最后一项航天飞机发射任务,飞往太空.
宇宙有反物质存在吗?
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（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]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.
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.