反物質 另一半宇宙

2022-04-19 19:29:09 字數 2157 閱讀 6737

反物質:另一半宇宙

1998年6月2日北京時間6時4分在美國肯尼迪航天發射中心,“發現號”太空梭順利發射升空。“發現號”此行的目的是為了把多國科學家共同研製的大型空間探測器――“阿爾法磁譜議”送入太空以探尋理論上預言的反物質的暗物質。

眾所周知,我閃的這個世界是由物質組成的,而物質又是由原子、分子等微觀粒子所構成。反物質則與之相反,它是由原子、分子的反粒子,即反原子和反分子所構成,因此,反物質具有與物質完全相反的性質。

反物質這一要領的提出由來已久,但它首先要從正電子的預言與發現說起。早在1928年,英國物理學家狄拉克在嘗試將20世紀的最重要原理――相對論與量子力學結合起來的實踐中就發現了這一現象,並預言了正電子的存在。而所有這一切則是由狄拉克建立的相對論波動方程中得出負能量值的解引起的。狄拉克在對這個方程求解的過程中共得到了4個描述電子內部狀態的解,用以說明電子應當具有4個內部狀態。其中兩個狀態可以用電子的自旋及自身磁矩的存在加以解釋;但對於方程的另兩個附加解的求解過程中得到的負能量值的解得出了離奇的結論。這就是說,如果一個電子真的能夠存在於負能狀態,那麼它不會因與其他粒子相碰撞而逐漸減速並最終停下來,而是將加速得越來越快,直到它的速度等於光速。但是,從相對論方程的分析中很清楚地知道,這種性質是不可能的。由此,狄拉克提出了他著名的假設。

他假設我們平時所謂的真空,其實並不是真空的,而是所有負能級上都有兩個電子的一種系統,所以,真空中就應有無窮數目的電子,並且全部負能級都被電子佔滿了。根據泡利汀容原理,電子不可能躍庭 到某個已被佔滿的負能級,所以它只能留在正能級區聽之任之一個能級上。因此只能是處於負能級睥電子受到激發後向正能級躍遷。這種過程正如電子正能級跳躍到負能級上的反過程,只要有能量大於能級的光子激發,是完全可能發生的。如果它發生了,那麼這個具有正能量的電子將會使其躍遷出的負能級位置上出現一個空穴。怎麼解釋這個空穴呢?舉個例子,若我們手上繫著幾個充滿氫氣的氣球,就會感覺到手上有一個向上拉的力,如果突然有一個氣球的引線斷了,我們將感覺到向上拉的力減少了,但我們也可以解釋為多了一個向下拉的力。同樣,在負能級狀態少一個電子的空穴行為就像在那兒產生了一個有正能量的帶正電的粒子,這個粒子正是我們所談的正電子。這樣,人類便第一次從理論上預言了反粒子的存在。緊接著在1932年,卡爾.安德生通過對宇宙射線的威爾遜去層實驗發現並證實了正電子的存在。繼安德生髮現正電子後,1955年張伯萊發現了反質子,1956年又發現了中子。20世紀60年代前後相繼發現一系列反超子,一個又一個板粒子的發現使人們聯想到是否所有的粒子都有與之對應的反粒子呢?在此後 進行的一系列實險中發現除了光子等少數粒子的反粒子是其本身外,所有粒子都有反粒子。人類自古就相信宇宙是對稱的思想不禁又使人們想到了既然粒子能組成物質,那麼反粒子為什麼不會組成反物質呢?在當前公認的宇宙起源的大**理論中則明確地提出了反物質是存在的,並預言了宇宙中應存在等量的物質與反物質。

但是探索反物質的道路是艱難的。從發現第一個反粒子到現在已近70年,其間人們也僅是從實驗中獲得了一些反粒子,並且最近幾年才人工合成了第一反原子――反氫原子。而對於能構成反物質的其他各類反原子、反分子都還一無所獲,更談不上反物質了。產生這些困難的原因在於人們發現的反粒都是從宇宙射線路獲得的,而宇宙射線要達地球首先要穿過厚達3000千米至4000千米的大氣層,所以射線中的絕大部分反粒子在到達地球前都已與大氣層中的粒子中和了。因而人們所能探測到的反粒子就微乎其微了。而且反粒子都很不穩定,很容易和周圍物質粒子發生湮滅。所以,科學家們認為在現在我們所處的這個物質世界中是不可能存在反物質的,即使存在也會很快和周圍物質相中和,因此,只能把探尋反物質的希望寄圩宇宙空間。在宇宙空間深處可能存在一個與物質世界完全相反的空間,在那裡會存在大量的反物質,基於這一考慮,許多國家的科學家們數年共同努力下,“阿爾法磁譜議”終於升入太空。經過10天的太空航行後,它將對宇宙中是否存在反物質做初步探測。到2002年“阿爾法磁譜儀”將被安置到新建的“發現號”空間站,從而開始對反物質的大規模探測。 

反物質如果被探明確實存在,那將會是對在此基礎上建立起的現有宇宙起源論及相對論量子力學理論的最有力的實驗驗證。我們知道根據愛因斯坦質能方程e=mc^2,物質減少的質量將會轉化為能量。現在的核反應正是利用了這一點,但核反就不能使質能完全轉化;而物質與反物質相中和,因其***出的是零質量的r光子,所以其質量將會完全轉化為能量。1千克鈾235完全裂變釋放出的能量相當於2000噸優質煤完全燃燒時所放出的化學能。而同等質量的物質與反物質中和放出的能量則是鈾235的3200多倍!因此探索反物質對於能源相對短缺的現代社會亦有著重要大意義。而一旦探測結果表明宇宙中並不存在反物質,那麼,這將是對現有理論的一個不對理論物理的基礎進行最徹底的修改。

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