反物质图
大爆炸后138亿年,宇宙中仍然充斥着各种各样的天体,它们都是由物质构成的。既然物质还在,反物质去了哪里?
近日,在美国芝加哥举行的第38届国际高能物理会议上,日本科学家对为什么现在的宇宙充满了正物质而不是反物质给出了解释:中微子这种亚原子粒子,在物质形态和反物质形态上有着不同的表现。不过,他们也表示,需要更多的数据来证实这一解释。
宇宙中为什么会有物质?这是物理学中最大的谜团之一。恒星、行星、星系和星系团都是由物质构成的,植物和动物也是如此。本来这是一件很自然的事情,但是另一件奇怪的事情出现后,我们陷入了认识的困境,这种事情就是反物质。
根据我们对宇宙起源和反物质的了解,物质和反物质都不应该存在。因为反物质有一个很重要的特性:当它与物质结合时,会相互湮灭,产生巨大的能量(光子)。另一方面,物理定律表明,大爆炸产生的巨大能量应该创造出等量的物质和反物质。而问题来了——按理说,等量的物质和反物质相遇,就会“同归于尽”。但是大爆炸后138亿年,宇宙中仍然充满了各种各样的天体,它们都是由物质构成的。既然物质还在,反物质去了哪里?
反物质是如何被发现的?
先说反物质的物理起源。故事开始于1928年左右。当时,物理学正处于大变革时期。爱因斯坦提出了相对论,阐述了引力的本质以及物体以接近光速运动时会发生什么。另一组物理学家正在发展量子力学来描述粒子的行为。与此同时,英国物理学家保罗·狄拉克试图将两者联系起来。
狄拉克提出了描述电子运动的数学方程,即狄拉克方程。这个方程具有量子力学的特征,符合狭义相对论的要求。在方程式中,还有一个粒子和电子一起存在。它不是传统的带负电的电子,而是一种奇怪的带正电的电子——也就是电子的反粒子。
1931年,狄拉克预言了电子的反粒子,即“反电子”的存在。他进一步提出质子和其他粒子也应该有相应的反粒子。如果所有的粒子都有反粒子,那么就有可能存在一种完全由反粒子组成的物质,这就是反物质。这是人类第一次意识到反物质可能存在。
其实早在狄拉克提出反粒子概念的时候,反粒子就已经在实验室留下了踪迹,只是被实验物理学家忽略了。当时实验室探测带电粒子轨迹的主要工具是“云室”,在高能粒子的路径上出现一层白雾,即粒子运动的轨迹。
在云室中施加磁场后,带电粒子会发生偏转,从而产生弯曲的轨迹。一些科学家注意到磁场中一半的电子向一个方向偏转,另一半向相反的方向偏转。但是,长期以来,人们一直认为电子只有一种,所以从来没有想到那些异常的径迹是由反粒子引起的。
狄拉克预言“反电子”后,美国物理学家卡尔·安德森怀疑云室中的另一半电子是“反电子”,于是开始做实验来证明。1932年8月,他收集了足够的数据,正式证实了“反电子”的存在,并将其命名为“正电子”。
此后,反物质成为物理学和科幻小说的一部分。
如何在宇宙中寻找反物质?
根据狄拉克方程,反物质将遵守与普通物质相同的自然法则。在这种情况下,宇宙中物质和反物质的含量一定是相等的,所以可能存在“反物质行星”和“反物质星系”,但是我们如何在宇宙中找到反物质呢?
为了寻找反物质,天文学家瞄准了无时无刻不在轰击地球大气层的宇宙射线。果然,1936年,科学家在宇宙射线中看到了正电子的身影。
2008年,科学家在银河系中发现了一个巨大但稀薄的反物质云。它围绕着银河系的中心,发出伽马射线。欧洲空局的X射线卫星观测显示,这团云并不在银河系中央,似乎在跟随一颗发出X射线的恒星。这里的反物质可能不是宇宙诞生时遗留下来的,但它们更有可能起源于恒星。这颗恒星周围有一个黑洞。当恒星周围的气体离开恒星时,就会被黑洞“吃掉”。这个高能过程会产生反物质。
然而,并不是只有恒星才能释放反物质。平均每小时左右,香蕉会吐出一个正电子。这是因为香蕉含有天然放射性同位素钾-40。衰变时偶尔会释放一个正电子,遇到第一个电子就会湮灭释放能量,但释放的能量微乎其微。其实我们体内也有钾-40,这个过程也会发生。但它们不能完全代表原始反物质。我们需要寻找的是更重的原始反物质粒子,比如反氦核。
但是自然界没有足够的力量产生一个反氦核,只有BIGBANG能做到。所以,如果我们发现了像反氦核这样的粒子,那么接下来可能会发现更原始的反物质,甚至是反物质很多的宇宙区域。如果检测到反碳核,那么意义就更重大了。碳只能在恒星的“核熔炉”中形成。反碳核的出现意味着在Tai 空的某个地方存在一颗“反物质行星”,这将是天文学上的一大突破。
反物质和物质对称存在吗?
2011年,阿尔法磁谱仪探测器被送到国际空站,专门用于测量宇宙射线中反物质的数量和种类。到2013年,阿尔法磁谱仪已经看到了40万个正电子,但没有发现其他种类的反物质。到目前为止,仍然没有证据表明原来的反物质潜伏在Tai 空的某个地方。
所以只剩下一种可能:反物质和物质是对称的,只是它们的“个性”不同。
几十年来,粒子物理实验多次看到粒子和反粒子有不同的行为和反应。这要从所谓的“弱核力”说起。弱核力是自然界四大基本力之一,亚原子放射性衰变就是由它引起的。弱核力,加上引力和电磁力,共同控制着庞大的宇宙。剩下的一个就是强核力。强核力的范围很小,大约一个原子核的大小。
1964年,物理学家研究K介子衰变时发现,K介子可以自然衰变为反K介子,反K介子也可以衰变为K介子,只是这两个过程的频率不同。因此,有科学家推测,在弱核力的作用下,宇宙中也可能发生类似的情况——因为BIGBANG中存在一些过程,更有利于物质的产生,或者说物质的产生频率更快。反物质的量不足,物质的量过剩,剩下的物质构成了今天的宇宙。科学家给出的估计是,每形成十亿个反物质,就可能产生十亿又一个物质。在欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机上进行的实验加强了这一推测。物质和反物质在弱核力面前确实会有不同的反应。
参考对撞机的数据,科学家们估算了宇宙早期可以产生多少反物质。不幸的是,答案不是科学家们所期望的。之前的估计是,在十亿个反物质形成的同时会产生十亿个反物质,也就是说宇宙刚诞生的时候差不多有一半还是反物质。但根据实验结果,宇宙诞生之初的反物质质量只相当于一个普通星系的反物质质量。显然,这与科学家估计的情况大相径庭,说明反物质研究的任务依然艰巨。
宇宙中还有另一半吗?如果有,会在哪里?为什么反物质和物质的行为不同?宇宙之初发生了什么?这些问题有待解决。可见浩瀚的宇宙对人类来说还是深不可测的。