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宇宙中真的存在反物质吗?

发布时间:2020-10-27科技资讯
从中学时代我们就知道,世界是由物质组成的。但是,如今科学家提出了“反物质”的概念,对传统观点提出了挑战。那么,反物质是什么?宇宙中是否真的存在反物质呢?

反物质和
从中学时代我们就知道,世界是由物质组成的。但是,如今科学家提出了“反物质”的概念,对传统观点提出了挑战。那么,反物质是什么?宇宙中是否真的存在反物质呢?

反物质和物质是相对立的,它们是两个不同的概念。众所周知,物质构成了世界,而原子构成了物质,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,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,有一些科学家在20世纪初就认为二者相差十分悬殊,因而应该存在另外一种电量相等而符号相反的粒子。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。这就是“反物质”概念的最初观点。

狄拉克是英国青年物理学家,他根据狭义相对论和量子力学原理,于1928年提出了这样一个设想: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。这种电子可以称为电子的“反粒子”。狄拉克认为,物质和反物质一旦相遇,就会互相吸引,并发生碰撞而“湮灭”,各自的质量也消失了,并释放出大量能量,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不可能有天然的反物质存在的原因就在于此。

狄拉克的这一设想,对科学界震动很大,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,并大大激励了人们的研究热情,他们纷纷投入到寻找反物质粒子的工作中。1955年,在美国的伯克利,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。西格雷等人于1957年又观察到了反中子。

欧洲一些物理学家于1978年8月,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,美国新墨西哥州立大学的科学家进行了一个实验,在实验中,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,这些发现激发了人们的兴趣。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。顺着这个线索,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。

物质的诞生示意图

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是成立的。在实践中人们利用粒子加速器人工制造出由一个反质子和一个反中子组成的反氘核,这个反氘核是人工制造出的第一类反原子核,它是美国布鲁克海文实验室研制成功的。由两个反质子和一个反中子组成的反氦-3核是第二类反原子核。苏联在塞普霍夫加速器上曾获得5个反氦-3核。而反原子是由正电子与这些反原子核相结合而得到的。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,人们观点各异。以往的一些理论认为,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,但是在茫茫宇宙中的某些部分却有可能存在一些星系,这些星系由反物质构成。在那些星体上反物质的存在是极其“正常”的,而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而其他方面均相同,那么,在宇宙总磁场影响下,它们各自向宇宙的相反方向集中,分别形成星系与反星系。根据这种观点,宇宙应该一分为二,由正物质和反物质两部分构成。可以想象,由反物质构成的星系应该距离我们极其遥远。但是,至今我们也无法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,而我们今天的天文观测手段还较落后,没法将它们区分开来。

宇宙中应该存在一个反物质世界,这从理论上讲是行得通的,可事实上并不这么简单。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着,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,反粒子便不存在了,它转化成了高能量的光子辐射。可人们至今还没有发现这种光子辐射。在我们地球上很难找到反物质,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。由于反物质发出的光与物质发出的光一样,所以人们无法从恒星发出的光来判断它是物质还是反物质。因此人们推断,完全可能有反物质构成的恒星存在于宇宙中,或者在距别的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,其中必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。

到底在宇宙中有没有自然存在的反物质,还有待于科学技术的进一步发展去证实。物理学家们努力搜寻反物质,希望能在宇宙中寻找到它们。

能不能直接观测太阳系以外宇宙中的反物质呢?可以,但目前只有一个办法,那就是研究宇宙射线。

在地面实验室中很难探测到宇宙射线中的反物质,因为有一个稠密的大气层在地球上空。穿越大气层时,宇宙射线会与大气碰撞而产生次级粒子,这些次级粒子又会与大气粒子碰撞产生更次级的粒子,这样几经反复,地面上测不到原始的宇宙射线,因此也无法确定宇宙射线中反物质存在的情况。为此,人们想方设法把探测器送上大气的最高层,并一直希望能将探测器送到太空。过去,人们多次用高空气球把高能反物质望远镜等探测器送到高空,探测宇宙射线中的正电子与反质子,但收获不大,从未发现过比反质子更重的反原子核。现在,随着航天技术的发展,到太空中去寻找反物质的愿望终于可以实现了。

1998年6月3日6时10分(北京时间),美国“发现号”航天飞机载着阿尔法磁谱仪,从肯尼迪航天中心发射升空。“发现号”航天飞机的成功发射,标志着探索宇宙反物质的重大科学实验的开始。值得一提的是阿尔法磁谱仪主要由中国科学家参与研制。

阿尔法磁谱仪的英文名字是Alpha Magnetic Spectrometer,简称AMS,它主要由上下各2层的闪烁体、永磁体、紧贴永磁体内壁的反符合计数器、内层的6层硅微条探测器以及契伦科夫探测器等各种探测器组成。

在阿尔法磁谱仪中,由铷铁硼材料制成的永磁体是其主体结构,其重量约2千克,高1米、直径1.2米、长0.8米,是一个空心圆柱体,其中的磁场强度为1400高斯,能长期在太空中稳定工作。根据磁场反应的粒子电荷以及粒子的速度、轨迹、质量等信息,AMS可以推断粒子的正与反。可以说,当今最先进的粒子物理传感器就是AMS。

航天实验证明,阿尔法磁谱仪经受住了发射升空时的剧烈震动和严酷的太空工作环境的考验,运行状况良好,捕捉到许多带电粒子的踪迹,这些粒子是由次宇宙射线发出的。按照预定的计划,2001年2月,阿尔法磁谱仪被装载到阿尔法国际空间站上,进行长达3年的反物质空间探测。

人们如此热切地探求反物质,其目的不仅在于要证实理论的正确与否,而更实际的则是在于获取巨大的能量。

任意半吨物质与半吨反物质相遇,则发生“湮灭”,并且会放出能量,这种能量将是燃烧1吨煤所放出的能量的30亿倍。只要用正、反物质各1吨发生“湮灭”,“湮灭”所产生的能量就可以解决全世界1年所需的能量,而且“湮灭”后不留残渣和任何有害气体。因此,反物质是极干净的超级能源,同时更是最理想的宇宙航行能源。据计算,10毫克的反质子只有一粒盐那么大,却可以产生相当于200吨化学液体燃料的推进能量。通过这些能量,可以轻而易举地将巨型航天器送入太空。科学家们设想造一艘头部装一面巨大的凹面反射镜的光子巨船,要使飞船开动时,就将燃料库中的物质和反物质分别有控制地输送到凹面镜前,让它们在凹面镜前适当位置接触、“湮灭”,再转化为极其强烈的伽马射线,即光子流。这种光子流被凹面镜反射出去,产生巨大的反作用力,就像气体从火箭喷口喷出一样,推动飞船前进,实现星际航行。

尽管至今我们仍不能确定宇宙中有反物质,但我们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。
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