在浩瀚宇宙的某个角落,可能还有一个一模一样的“反物质的你”存在,在那里存在反物质构成的恒星、行星甚至生命。
在科幻里才能出现的故事,却让无数科学家为之疯狂。宇宙真是由物质和反物质构成的么?如果真是这样,那么反物质都去哪儿了,人们在实验室里制造出了反物质,它能给人类什么启示?
反物质被发现,科学界轰动1928年,英国理论物理学家保罗·狄拉克推导了电子的相对论性运动方程。他发现,具有相同质量但携带相反电荷的粒子也满足该方程,从而预言了电子的反粒子——正电子的存在。
狄拉克的结果让科学界极度怀疑,虽然公式推导毫无破绽,但世间除了地球、月亮、太阳、银河以及人类自己,都是电子、质子、中子这些物质构成,哪里去找看不见摸不着的反物质。
几年后,美国物理学家卡尔·安德森通过实验,发现了狄拉克的预测无比正确。
安德森使用一种叫“云室”的装置,类似薄雾水蒸气充斥的器皿,它将器皿放置于磁场中,以便观察粒子的运动轨迹。通过观察宇宙射线穿过云室时留下的轨迹,安德森发现了与电子轨迹相似但偏转方向相反的轨迹。这证实电子相同的粒子——正电子的存在。
安德森不仅发现了正电子而获得了诺贝尔奖,也为反物质的研究开辟了道路,并对粒子物理学的发展产生了深远的影响。
宇宙中真的还有一个一模一样的“你”吗狄拉克在1993年诺贝尔颁奖典礼上做这这样一段精彩讲述:如果在我们的世界,人们接受物质与反物质的观点,那么,我们的世界只包含物质纯属偶然,可能在宇宙的另一个地方,或是另一个宇宙,情况跟我们现在的情形完全相反,那里主要是由正电子和反质子组成,整个宇宙按逻辑来说包含一半物质,一半反物质,它们是严格对称的。
如果这套逻辑成立,那么宇宙的另一端,真的会有一个一模一样的“你”吗?
反物质去哪儿了?在宇宙大爆炸初期,大量物质与反物质相遇后发生溟灭,产生若干带电及中性的介子。这些介子最终衰变成光子、电子、正电子、中微子和反中微子。
尽管天文学观测未发现大量反物质存在的证据,如反原子核在宇宙射线中的缺失,以及预期中的特殊光子能谱未被观测到,科学家们总结出,在可观测宇宙内几乎不存在宏观反物质。但这与大爆炸理论预测的物质与反物质最初等量产生相矛盾。
1967年,萨哈罗夫提出宇宙重子与反重子不对称可能是通过特定的动力学过程形成的,这需要重子数破坏、CP对称性破坏及热平衡偏离三个条件。粒子物理学标准模型虽满足这些条件,但不足以解释实际观测到的不对称度。
1986年,日本物理学家福来正孝和柳田勉提出了“轻子生成”机制,即超重马约拉纳中微子的衰变可能导致轻子与反轻子间的不对称性,随后转化为重子与反重子间的不对称性。这一机制解释了为何我们生活在一个主要由物质构成的宇宙中,但目前仍缺乏确凿证据支持这一理论。
最重反物质被发现近期,我国在反物质领域方面研究取得了巨大突破,科学家们通过一项国际合作研究项目,发现了迄今为止最重的“反超氢-4”反物质的存在。研究成果于北京时间8月21日在国际学术期刊《自然》(Nature)上发表。
为了找到真相,人类不惜花费重金,制造巨大的重离子对撞机,模拟宇宙大爆炸场景,在几万亿度的高温火球中寻找反物质的踪迹。我国科学家在火球的膨胀冷却中,最终发现了逃逸的反超氢-4的踪迹,并观测到了它与超氢-4的对称性。
结语为了寻找反物质消失之谜的真实答案,无数科学家仍在努力探索和发现。我国科学家最近就发现的最重的反物质超核——“反超氢-4”,为该领域研究做出了重要贡献,并将进一步推动该领域的科学研究向前发展。