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宇宙反物质之谜是什么?

归档日期:09-21       文本归类:反电子预警      文章编辑:爱尚语录

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  众所周知,实际是由于物质构成的,而物质是由原子构成的,原子核位于原子的中心。原子核由质子和中子组成,带负电荷的电子围绕原子核旋转。原子核里的质子带正电荷,电子与质子所携带的电量相等,但一正一负。质子的质量是电子质量的1840倍,这让它们在质量上形成了强烈的不对称性。这引起了科学家的关注,因此一些科学家在20世纪初就认为二者相差悬殊,因而应存在另外一种电量相当而符号相反的粒子,如存在一个同质子质量相等但携带负电荷的粒子和另一个同电子质量相等但携带正电荷的粒子,而这就是“反物质”概念的最初观点。

  1928年,英国青年物理学家狄拉克根据狭义相对论和量子力学原理,提出一个设想:在自然界中,存在着带负电的电子,同时还存在着一种与电子一样但能量与电荷都为正的正电子,这种电子可称为电子的“反粒子”。他认为,物质和反物质一旦相遇,就会互相吸引,并发生碰撞而“湮灭”,各自的质量也消失,并能释放出大量的能量,这些能量以伽玛射线的形式出现。在我们周围的物质世界中,之所以没有天然的反物质存在,原因也就在于此。

  狄拉克的这一设想在科学界产生了很大的震动,科学家们认为这种设想极有道理,因而他们极力寻找和制造反物质。

  1932年,美国物理学家安德森研究了一种来自遥远太空的宇宙射线。在研究过程中,他意外地发现了一种粒子,这种粒子的质量和电量都与电子完全相同,唯一不同的是在磁场中弯曲时其方向与电子相反,也就是说它是正电子。这一发现论证了狄拉克的设想,并极大地激发了人们的研究热情。

  1955年,美国的钱伯林和西格雷两位科学家利用高能质子同步加速器发现了反质子。1957年,西格雷等人又观察到了反中子。

  1978年8月,欧洲的一些物理学家成功地分离了300个反质子达85小时,并成功地储存了这些反质子。1979年,美国科学家也进行了一个实验,把一个有60层楼高的巨大氦气球放到高空,气球在离地面35千米的高度上飞行了8个小时,捕获了28个反质子。

  关于反质子的发现层出不穷,这些发现不断激发着人们的热情。反中子和中子一样,都不带电,但它们在磁性上存在差别。中子具有磁性且不断旋转,反中子也不断旋转,但其旋转方向与中子恰恰相反。按照这个线索,物理学家们继续寻找下去,结果发现了一大群新奇的粒子。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。

  这样,用人工的方法把反质子、反中子和正电子组成反物质原子这一设想在理论上就是成立的。

  1996年1月,欧洲核研究中心宣告德国物理学家奥勒特等利用该中心的设备合成得到第一类人工制造的反原子,即11个反氢原子。由于这一科研成果意义重大,欧洲核研究中心专门开会庆祝反原子的人工合成。物理学家们预言,技术上进一步的改进将会使大量生产反物质原子的设想成为可能。

  对于反物质在自然界中究竟有没有的问题,大家观点各异。从前的理论认为,在宇宙中,正物质和反物质是对称的、同样多的。虽然反物质在地球上只能出现在实验室里,且时间短暂,但在茫茫宇宙中的某些部分却有可能存在一些星系,而这些星系就由反物质构成。相反,正物质却很少在那些星体上存在。物质与反物质在电磁性质上相反,其他方面均相同,那么在宇宙总磁场影响下,它们会各自向宇宙相反方向集中,分别形成星系与反星系。

  根据这种观点,我们的宇宙应该分为两部分——正物质和反物质。不过,至今我们也没有获得关于反星系分布的直接证据,因为由反物质组成的星系与正物质组成的星系发出的光谱完全相同,依靠我们今天的天文观测手段根本无法区分。

  虽然理论上认为宇宙中应该还存在一个反物质世界,但事实并不这么简单,因为自然的反粒子和反物质在地球上是不存在的。科学家们研究发现,核反应中产生的反粒子被大量正常粒子包围,所以产生出来没多久就会和相应的正常粒子结合,两者结合后反粒子就消失了,转化成了高能量的光子辐射。可人们至今也没发现这种光子辐射。

  在我们的地球上,更是很难找到反物质,因为普通物质无处不在,而反物质一旦遇到它就会湮灭。事实上,反物质仍能以自然形态存在于地球以外的宇宙中,但因为它发出的光与物质发出的光一样,所以我们无法从恒星发出的光来判断它是物质还是反物质。因此科学家推断,由反物质构成的恒星很可能存在于宇宙中,或在距其他星球足够远的孤立空间中,甚至在银河系中。自然界是有对称性的,所以其中也一代同时存在着由物质组成的星体和由反物质组成的星体。当然,物质和反物质不可能同处在一个星体中,因为二者碰到一起就要湮灭。

  因此,宇宙中到底有没有反物质,还有待于科学技术的进一步发展去证实。尽管至今我们仍不能确定宇宙中是否有反物质,但也不能过早予以否定。因为距离我们100多亿光年的天体是人类已观测到的最遥远的天体,但这并不是宇宙的边缘,也许在更遥远的太空中会有反物质存在,也可能确实有反物质存在于我们已经观测到的宇宙中,只是由于某种原因使我们无法看到这些反物质罢了。

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