宇宙的终极秘密~反物质

反物质一旦与物质接触,两者便会相互抵消,释放出巨大的能量,这一反应称为“湮灭”,遵循爱因斯坦的质能转换公式E=mc方。

质能方程E=mc方中的E是能量,m是质量,c是光速,这个公式意味着“质量m”可以转化为“能量E”,湮灭反应一旦发生,正反物质的质量将全部转化为能量,正反两种物质将全部消失。

不仅仅是“湮灭”反应,所有的反应都遵循质能方程,发生反应后,释放出能量那部分质量减少变轻,例如,太阳的质量因核聚变反应每秒减少427万吨。

太阳内部发生核聚变反应,主要是氢的原子核互相聚合,生成氦原子核的反应,这一反应中,仅仅是“原子核中的质子或中子结合的部分”释放能量,因此,转化为能量后,参与转换的物质失去百分之0.7的质量,并不能像湮灭反应那样,质量全部转化为能量而消失不见。

化石燃料的燃烧反应也是同样的,燃烧后,燃料的质量会减少变轻,虽然减少的质量相当微小,但是可以称量出燃烧前后的质量差,“质量守恒定律”说,质量在化学反应前后不发生变化,严格说,是错误的。

燃烧反应是火力发电最常见的反应,在燃烧反应中,只有化石燃料分子中“原子相互连接的部分”释放出了能量,原子本身在反应前后并没有发生变化,当燃料的质量相同时,湮灭反应释放的能量是燃烧反应释放能量的30亿倍。

无论是星系(银河系),还是恒星、行星、我们的身体,都是由“物质”氢、碳等原子组成,原子由原子核与绕原子核运动的电子组成,原子核由质子和中子组成,质子和中子则由夸克组成,夸克和电子是构成物质的“基本粒子”,无法分解为更小的粒子。

反物质是物质的镜像,普通的镜像只是使左右相反,而反物质与物质之间的镜像不仅使左右相反,也使粒子的电性相反,这是反物质与物质的一大差别。

构成物质的所有基本粒子都有其对应的“反基本粒子”,也就是说,存在与夸克一模一样的“反夸克”,反夸克构成了“反质子”、“反中子”,反质子、反中子构成了“反原子”。

1928年,英国物理学家保罗.狄拉克从理论上预言了反物质的存在,当时量子力学还是一个崭新的物理学分支,狄拉克试图建立一个结合量子理论与狭义相对论的理论,在这个过程中,他推导出一个奇怪的结论:粒子携带的电荷是相反的,也就是说,应该存在反粒子,利用能量生成粒子与反粒子的反应,被称为“对产生”。

四年之后,反粒子被发现了。

1932年,美国物理学家卡尔.安德森在对宇宙射线的观测中时,发现了一种未知粒子进入了观测装置中,这种未知粒子的质量与电子完全相同,却带着与电子相反的正电荷,安德森根据宇宙射线的轨迹判断,这种未知粒子就是狄拉克预言的正电子~“反电子”(电子带的是负电荷)。

1955年,科学家利用美国加利福尼亚大学伯克利分校的加速器,成功合成了“反质子”,并在1956年发现了反中子,1965年发现了反氘核(1个反质子 1个反中子),1970年合成了反氦3核,1995年成功制造出反氢原子,2011年合成了反氦4核。

由于反物质与物质相遇后,瞬间就会湮灭消失,所以反物质很难保存,2011年,日本东京大学与理化学研究所,共同参与的国际研究团队,利用“磁瓶”,成功将反氢原子“抓住”了大约16分钟。

目前,分布在全球各地的加速器,都在不断制造反物质,比如,日本筑波市的高能加速器研究机构,正在运行的加速器里大约有100万亿个反电子。

宇宙诞生于一个蕴藏着巨大能量的空间,大约137亿年前,这个空间爆炸性的急剧膨胀,最终形成了现在的宇宙,宇宙大爆炸之前,只有能量,没有物质,之后能量利用“对产生”转化为“物质”与“反物质”。

最初,能量转化为物质与反物质的“对产生”反应占据优势,物质与反物质不断增多,随着宇宙变大、变冷,需要巨大能量的“对产生”变得越来越困难,与此相反,反物质与物质不断发生碰撞,相互湮灭消失。

于是,随着宇宙越来越冷,湮灭反应逐渐占了优势,宇宙中的物质与反物质不断减少,与137亿年前宇宙生成的物质的总量相比,现在的物质总量只是那时候的10亿分之2,绝大部分的物质与反物质发生湮灭反应而消失了,最终剩下的“物质”构成了我们宇宙的物质部分。

本来,在137亿年前,宇宙大爆炸后,“对产生”制造出来的物质与反物质的数量应该相同,之后,物质与同样数量的反物质因为“湮灭反应”,都应该变为能量而消失,我们的宇宙就应该是没有物质的宇宙,那么为什么有10亿分之2的物质残留下来了呢。

物质带负电,反物质带正电,于是研究者把目标盯上了不带电的基本粒子~“中微子”,中微子是唯一不带电的基本粒子(中微子有三种,都不带电),在一平方厘米的范围内,每秒大约有660亿个来自太阳的中微子穿过地球。

中微子与反中微子都不带电,中微子都是左旋的,反中微子都是右旋的,1998年,日本东京大学的梶田隆章博士等人发现“中微子具有质量”,这意味着中微子与反中微子实际上可能是同一种粒子。

之前,人们认为中微子与光子一样没有质量,所以中微子是以光速飞行的,狭义相对论证明光速不可超越,所以以光速飞行的中微子同样永远不可超越。

但是,如果中微子有质量,就意味着中微子的飞行速度低于光速,是可以超越的,如果以比中微子快的速度,回头去观测中微子,那么就会发现本应是“右旋”的反中微子,“左旋”着离观测着越来越远。

也就是说:“反中微子变成了“中微子””,反中微子与中微子或许是同一种粒子,只是因为观测者的视点不同的错觉而已,才把反中微子与中微子看成两种粒子。

当然,仅仅弄清楚了反中微子变身为中微子这个现象,并不能完全解释反物质消失的原因,如果反中微子与中微子一模一样,也存在着中微子转化为反中微子同样的转化。

也就是说,在宇宙诞生之初,中微子与反中微子的互相转换的数量、概率应该是相同的,所以不带电的正反中微子,逃过了正反物质的湮灭反应,中微子与反中微子存留下来的数量应该是相同的,而现在的宇宙中,中微子的数量,远远超过反中微子的数量。

中微子成为组成我们宇宙的物质部分,构成了所有物质世界,但是宇宙诞生之初由能量通过“对产生”制造出来的正反中微子的质量,要大于现今宇宙中残存的10亿分之2物质的量。

所以反中微子与中微子之间,应该存在着我们尚未发现的差别,那么才有可能出现宇宙中只剩下中微子的情况。

为研究中微子与反中微子的不同之处,科研人员正利用日本茨城县东海村的大强度质子加速器,向相距大约300千米的“超级神冈探测器”,射入同一种的正反中微子。

超级神冈探测器是日本建造的大型中微子探测器,位于岐阜县神冈町的地下,可以把射入的部分正反中微子,转变为电子中微子或反电子中微子,然后对其转变的比例进行比较。

如果转换的比例不同的话,则意味着发现了中微子与反中微子的新差异,日本计划建造灵敏度更高、观测能力更强的超级神冈探测器,建成后,就可以进行更高精度的实验。

人类对于反物质的研究,是为了还原宇宙诞生之初时真实场景的重要的研究方法之一,也是揭开我们宇宙最终极的秘密之一。

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