“宇宙另一半”消失還是隱匿? 它或是破解謎題的關(guān)鍵
反物質(zhì)和正物質(zhì)的質(zhì)量和電荷數(shù)是一樣的,但電荷的符號(hào)不一樣,是相反的。通常,原子核帶正電,電子帶負(fù)電。反物質(zhì)則是正常物質(zhì)的鏡像,它們擁有帶正電荷的電子和帶負(fù)電荷的原子核。
李祖豪 中國科學(xué)院高能物理研究所研究員
多年來,科學(xué)家渴望能夠在宇宙中找到反物質(zhì)的蛛絲馬跡。近日,據(jù)媒體報(bào)道,根據(jù)國際空間站上攜帶的阿爾法磁譜儀粒子探測(cè)器收集到的數(shù)據(jù),科學(xué)家推測(cè)宇宙中的反物質(zhì)可能比我們認(rèn)為的要更多。此前,就有一些科學(xué)家認(rèn)為,反物質(zhì)可能以反物質(zhì)恒星的形式存在于宇宙之中。
什么是反物質(zhì)?反物質(zhì)和物質(zhì)是彼此的鏡像嗎?反物質(zhì)恒星真的存在嗎?帶著這些問題,記者采訪了相關(guān)專家。
反物質(zhì)從科幻走向現(xiàn)實(shí)
科學(xué)作家戈登·弗雷澤在《反物質(zhì):世界的終極鏡像》一書中寫道:“反物質(zhì)對(duì)星際迷航中‘企業(yè)號(hào)’的運(yùn)行是決定性的,要是沒有反物質(zhì),就沒有星際迷航。”此言不虛,在電影《星際迷航》中,反物質(zhì)是星際旅行的基礎(chǔ),“企業(yè)號(hào)”飛船正是以正反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的強(qiáng)大能量作為推力,實(shí)現(xiàn)超光速飛行。
而在小說家丹·布朗的小說《天使與魔鬼》中,歐洲核子研究中心(CERN)的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中制造出了反物質(zhì),僅需0.25克的反物質(zhì)就足以在頃刻間毀掉梵蒂岡。
反物質(zhì)不僅存在于電影情節(jié)和文學(xué)創(chuàng)作中,還是科學(xué)研究的重要方向之一。中國科學(xué)院高能物理研究所研究員李祖豪認(rèn)為,要認(rèn)識(shí)反物質(zhì),便繞不開這幾個(gè)名字:
1928年,“反物質(zhì)之父”保羅·狄拉克寫下了一個(gè)用來描述電子的方程,這個(gè)方程也就是后來大名鼎鼎的“狄拉克方程”,它使年僅26歲的狄拉克在科學(xué)界一舉成名。狄拉克方程在理論上預(yù)言了反物質(zhì)的存在——一個(gè)電子必須有一個(gè)等量但帶著相反電荷的對(duì)應(yīng)粒子。狄拉克將這些新粒子稱為“反粒子”。
1929—1930年,我國物理學(xué)家趙忠堯在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了“反電子”存在的痕跡,其論文為研究“正—負(fù)”電子對(duì)的產(chǎn)生提供了證據(jù),在反物質(zhì)的研究中,留下了中國科學(xué)家的“足跡”。
讓反粒子從理論走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的是美國物理學(xué)家安德森。1932年,安德森宣布在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了“反電子”,證實(shí)了反粒子的存在。1936年,年僅31歲的安德森憑借這一發(fā)現(xiàn)和科學(xué)家赫斯分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1955年,張伯倫和塞格雷等科學(xué)家利用高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器成功“捕捉”到了反質(zhì)子,二人在1959年分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后,科學(xué)家們陸續(xù)制造出了反中子和反氘核等反粒子。
1995年,歐洲核子研究中心的物理學(xué)家奧爾勒特帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了第三次制造反物質(zhì)原子的實(shí)驗(yàn),在為期3周的反質(zhì)子與氙原子的碰撞實(shí)驗(yàn)中,一共產(chǎn)生了9個(gè)反氫原子,其平均存活時(shí)間為一億分之四秒,以接近光速行駛了十幾米,然后就與正物質(zhì)發(fā)生湮滅。這意味著,在實(shí)驗(yàn)室成功制造出了第一批反物質(zhì)原子——反氫原子。
實(shí)驗(yàn)室成功制造出了反物質(zhì)。那么,宇宙中的反物質(zhì)棲身何處呢?
1997年,美國天文學(xué)家宣布,他們利用康普頓伽馬射線天文臺(tái),發(fā)現(xiàn)在銀河系上方約3500光年處有一個(gè)不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源(銀心反物質(zhì)噴泉)。后來的研究顯示,銀河系中心確有大量不明來源的反物質(zhì),但并非以“噴泉”的形式存在。
2011年,阿爾法磁譜儀粒子探測(cè)器升空。目前科學(xué)家已通過這一設(shè)備觀測(cè)到反氦四候選事例?!胺春に氖欠春ぴ雍?,被認(rèn)為不太可能由宇宙線碰撞產(chǎn)生。”李祖豪解釋道,“所以,如果能證實(shí)宇宙線中存在反氦四原子核,將是反物質(zhì)天體存在的有力證據(jù)。”
正反物質(zhì)本為“一母同胞”
反物質(zhì)的存在被確定了,但新的問題又出現(xiàn)了——反物質(zhì)究竟長什么樣?與正物質(zhì)相比,它有何不同?反物質(zhì)來自何方,又去往何處?
通俗地說,反物質(zhì)世界是我們現(xiàn)存世界的鏡像,其構(gòu)成元素、外觀甚至光譜結(jié)構(gòu)看上去都與正物質(zhì)世界別無二致,僅僅在某些物理特性上有差異。
“反物質(zhì)和正物質(zhì)的質(zhì)量和電荷數(shù)是一樣的,但電荷的符號(hào)不一樣,是相反的。”李祖豪表示,“通常,原子核帶正電,電子帶負(fù)電。反物質(zhì)則是正常物質(zhì)的鏡像,它們擁有帶正電荷的電子和帶負(fù)電荷的原子核。”
歐洲核子研究中心的一項(xiàng)研究顯示,氫原子和反氫原子的光譜結(jié)構(gòu)看起來是一樣的。歐洲核子研究中心還表示,到目前為止,反物質(zhì)看起來就像我們所知的普通物質(zhì)。
據(jù)李祖豪介紹,科學(xué)界普遍認(rèn)為,宇宙大爆炸早期曾產(chǎn)生了數(shù)量相當(dāng)?shù)恼镔|(zhì)和反物質(zhì),可以說二者“一母同胞”。但如今在地球附近幾乎看不到天然存在的反物質(zhì),這被稱為“反物質(zhì)缺失之謎”。
理論上,宇宙大爆炸時(shí)所產(chǎn)生的粒子與反粒子數(shù)量應(yīng)當(dāng)相同,但為什么現(xiàn)今我們所看到的都是正粒子?反粒子去哪兒了?
李祖豪介紹道:“目前有兩種假設(shè):一種認(rèn)為,由于大爆炸產(chǎn)生的正反物質(zhì)在宇宙演化中的性質(zhì)不同,反物質(zhì)逐漸消失,只剩下正物質(zhì),不過目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不支持這一結(jié)論;另一種認(rèn)為,大爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)和反物質(zhì)分別處在宇宙的不同區(qū)域。”
換句話說,反物質(zhì)要么“不辭而別”,要么隱入宇宙深處。
只能等待反物質(zhì)“自投羅網(wǎng)”
“反物質(zhì)缺失之謎”長久困擾著科學(xué)家,關(guān)于反物質(zhì)的假設(shè)也層出不窮。其中一個(gè)假設(shè)認(rèn)為,反物質(zhì)可能以反物質(zhì)恒星的形式存在于宇宙之中。這個(gè)假設(shè)意味著,如果反物質(zhì)恒星存在的話,反物質(zhì)就有可能構(gòu)成“宇宙的另一半”。
為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè),我們?cè)撊绾螌ふ曳次镔|(zhì)恒星?
李祖豪表示,嚴(yán)格來說,現(xiàn)有的研究無法尋找反物質(zhì)恒星。當(dāng)前國際范圍內(nèi)唯一在太空探測(cè)反物質(zhì)的磁譜儀——阿爾法磁譜儀已在國際空間站工作了10余年,它的主要任務(wù)是尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì),精確測(cè)量宇宙線的成分和能譜以研究宇宙線起源。然而,阿爾法磁譜儀被固定在國際空間站上。因此,嚴(yán)格來說,在現(xiàn)有的研究條件下,我們只能等待反物質(zhì)進(jìn)入磁譜儀的探測(cè)范圍,而無法主動(dòng)尋找反物質(zhì)及反物質(zhì)恒星。
目前主要有兩種探測(cè)宇宙中反物質(zhì)粒子的手段,一種是通過磁譜儀直接探測(cè)反物質(zhì),另一種則是通過高能探測(cè)器探測(cè)正物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能光子判斷反物質(zhì)的存在。探測(cè)及驗(yàn)證反物質(zhì)恒星存在的困難在于,判斷反物質(zhì)乃至反物質(zhì)恒星存在,需要基于對(duì)宇宙中帶電粒子的觀測(cè)。但和具有指向性的光不同,帶電粒子不具有指向性。因?yàn)樵趥鞑ミ^程中,帶電粒子容易受到磁場的影響不斷地改變方向。因此,哪怕探測(cè)到了反物質(zhì)粒子,也無法判斷其來源,科學(xué)家無法對(duì)擁有數(shù)百萬年“旅行史”的反物質(zhì)粒子“尋根究底”,追溯其源頭。因此,對(duì)反物質(zhì)恒星的探測(cè)和驗(yàn)證也就變得尤為艱難。
盡管如此,仍有許多科學(xué)家對(duì)探尋反物質(zhì)以及反物質(zhì)恒星的存在報(bào)以熱忱。
李祖豪表示,如果反物質(zhì)恒星存在的話,它將是完全由反物質(zhì)構(gòu)成的,其中所有的基本粒子都有與我們現(xiàn)今世界粒子一樣的質(zhì)量和壽命,但電荷符號(hào)等基本物理特性是相反的,這對(duì)我們已知的所有物理規(guī)律具有怎樣的影響,還有待理論學(xué)家的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
法國科學(xué)家曾計(jì)算出可能潛伏在宇宙中的反物質(zhì)恒星的最大數(shù)量??茖W(xué)家認(rèn)為,反物質(zhì)恒星會(huì)像正常恒星一樣發(fā)光,且每40萬個(gè)普通恒星中或?qū)⒋嬖谝粋€(gè)反物質(zhì)恒星。然而,這一假設(shè)是否成立,仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
“今人不見古時(shí)月,今月曾經(jīng)照古人”,和時(shí)年138億歲的深邃宇宙相比,代代更迭的人類顯得異常渺小,許多關(guān)于宇宙的問題,只能等待時(shí)間來給我們答案。也許在高能探測(cè)器和磁譜儀不曾看向的角落,有著來自反物質(zhì)恒星的光,只等人類的驚鴻一瞥。
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