宇宙简史：何为反物质？

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反物质在物理学上的定义，是指由具有负电荷的原子核构成的物质。反质子和反中子共同组成反原子核。这些反原子核与带正电的正电子组成了反原子，这些反原子形成的物质，就是反物质。
尽管各种物质在自然界中存在着各式各样的表现形式，但是从微观的角度观察，实际上都是由质子、中子和电子组成的。这些构成一切物质的基础就被称为基本粒子，意思是说世间万物都是由这些粒子构成的。通常来说电子都是带负电的，但是早在20世纪30年代，就有科学家发现了带正电的电子。人们从这时开始对反物质有了初步的了解。到20世纪50年代，人们又相继发现了反质子和反中子，并且意识到，所有常见的基本粒子都存在一个与之相对应的反粒子。
反物质的性质与普通物质呈相反状态。当物质和反物质相撞，就会发生湮灭并且相互抵消。这个过程会产生巨大的能量，比氢弹释放能量的效率还要大。美国科学家使用大型原子对撞机进行了实验，通过对金原子进行对撞，得到了反氦原子。这个反原子是由反质子和反中子组成的。



宇宙中存在反物质这一事实，在很长时间里为科幻题材作家提供了丰富的想象空间。因为反物质能够与物质相撞并发出巨大的能量，因此科幻作家认为，反物质能够成为我们离开太阳系，进行星际旅行的上佳燃料。在传统的航天领域，为了摆脱地球的引力进入太空，航天器需要大量的化学燃料。以航天飞机为例，每次发射都要耗费相当于航天飞机自身重量15倍的燃料。但是如果能够利用反物质与物质碰撞发生湮灭产生的能量来推进，那么一枚硬币大小的反物质，就足以将航天飞机送入近地轨道了。
因为我们所处的世界是由物质组成的，所以即便自然界中存在反物质，也非常容易和物质相遇并且湮灭。所以为了能够更好地研究反物质，科学家们需要在实验环境中制造出反物质粒子，并且尽可能让这些粒子停留的时间长一些，以便能够研究其特性。
早在1925年，人们就已经发现在同一个状态里只能存在一个电子，也就是泡利不相容原理。根据这一原理，如果电子的负能级已经被填满，那么正能级的电子就不会与之发生冲突了。同时，如果想要对实验中没有观察到负能电子的现象进行合理的解释，就要假设占满了负能级的电子造成的总效果是零。也就是说，这个电子的海洋里所有能够被观察到的量的数值都是零，无论是质量还是动量都是如此，就像真空状态一样。根据这一假设能够得出一个有趣的推论，如果这个充满电子的负能级区域是真空状态，那么如果失去一个电子，就等同于出现了一个反电子。这个反电子具有与电子完全相反的特性，电子是带负电的，反电子就是带正电的。





如果一个粒子带有正能量，那么在运动时与别的粒子相撞后，运动速度会减慢。但是如果一个粒子带有负能量，那么它的运动速度会逐渐加快，甚至超过光速。但是，我们是通过与负能量粒子的反向运动来对负质量物质进行观测的，这种运动是带有正质量的反物质的运动，所以速度仍然比光速要低。物质具有负质量时，其表现形式为反物质，反物质与负质量物质的运动方向是相反的。也可以说，负质量物质在时间维度的反演就是反物质。因为时间是一维的，当它反演时，方向也会相反，这时负质量会转变为正质量。
根据已知的物理定律，两个具有正质量的粒子之间存在万有引力，所以我们可以认为，在分别具有正质量和负质量的两个粒子之间存在斥力。因为带有正质量的物质互相吸引，导致物体收缩，并且具有复杂的结构。但是负质量物质和正质量物质之间互相排斥，导致了膨胀。宇宙现在正处于一个膨胀的过程中，这说明宇宙中带负质量的物质数量多于正质量物质。虽然我们只能观测到负质量物质的反演，也就是反物质，并且我们无法直接观测到斥力。但是我们知道宇宙正在膨胀，这就说明了物质之间的斥力是确实存在的。



很多年来，虽然科学家们从理论上确定了反物质的存在，但是发现它只是最近几十年的事情。科学家们首先是通过宇宙中存在的高能粒子——γ射线，在银河系的上方发现了一些反物质的痕迹，后来又通过实验批量制造出了反物质粒子。这说明人类在研究反物质的道路上正在逐步深入，并取得了重大的进展。
1997年，美国科学家利用发射到太空的γ射线探测卫星发现了一个反物质源，该反物质源位于银河系上方，正在向外源源不断地释放出反物质。这些反物质形成了一个“喷泉”，喷涌的高度达到2940光年。
美国的奋进号航天飞机在执行一次太空任务时，在国际空间站上安装了一个专门用于收集反物质粒子的科学仪器——阿尔法磁谱仪。这个磁谱仪能够记录下反物质粒子对它的撞击，并且进行分析。科学家们认为，如果能够在宇宙中找到原子量较大的元素，如反碳等，就意味着可能存在由反物质组成的天体甚至恒星。物质与反物质之间是否存在对称性，也能通过这一发现加以证明。事实证明，较重的反物质粒子是存在的。2000年，欧洲核子研究中心再次发布消息，称他们在实验室中已经制造出了大约5万个反氢原子。这一成果标志着人类具有了大批量制造反物质的能力。



我们如果认为宇宙中的物质和反物质的数量是相等的，那么在宇宙空间中应该存在大规模的反星系区。在那些区域中，宇宙射线是由反质子与反α粒子组成的。来自那片宇宙空间的射线会进入我们的正物质星系。因为宇宙空间是十分稀薄的，很多地方都很空旷，每立方米可能只有一个质子这样大的密度，所以反物质粒子能够畅通无阻地进行长距离旅行。如此一来，通过位于地球轨道上的太空探测器就能捕捉到它们。之前发射的阿尔法磁谱仪就是根据这一理念设计建造的。
在实际观测中，不只是能够捕捉到原始射线粒子，还能够探测到一些次级粒子。这些次级粒子是原始粒子在旅途中与其他粒子发生碰撞而产生的。我们在宇宙中发现反质子，并不一定表明在宇宙深处存在反物质区域，因为这些反质子可能是原始粒子造成的次级粒子。但是反原子核就不同了，因为它是由一系列反核子组成的复杂结构，所以无法通过碰撞产生。如果我们能够在宇宙中发现反α粒子，哪怕只有一个，也能证明远方存在反物质天体。阿尔法磁谱仪十分敏感且精确，如果反α粒子进入了磁谱仪，就能够被分辨出来，并且能够测定它的质量和所带的电荷。2011年，新的阿尔法磁谱仪进入了太空轨道，并且源源不断地把探测结果传回地球，科学家们正随时对这些结果保持着关注。
如果我们能够通过阿尔法磁谱仪的观测结果证明宇宙中真的存在大型反物质天体，那么这一结果必定会被载入史册。因为它不仅能够证实反物质的存在，而且还将对已知的物理学理论提出挑战。在宇宙诞生的初期，正反粒子一定是彼此混合在一起的。在今天我们掌握的物理理论中，还不存在一种作用力能够将两种粒子彻底分开。所以，如果我们能够证明存在大型的被分离出去的反物质天体，那么物理学理论将会发生新的突破。



我们通过大量的事实能够确定，人类所处的空间的基本组成是物质，而非反物质。同样的，在人类已经能够探索的宇宙空间中的宇宙射线，也是物质的。这可以由一系列证据佐证：人类目前为止发射的所有航天器都没有发生湮灭，阿波罗登月计划的成员们也可以登上月球并安全返回。太空探测器最远的已经到达太阳系的边界，到目前为止，人类在太阳系中尚未发现任何由反物质构成的天体。范围扩大到整个银河系，其根本属性仍然是物质。
在河外星系中，如果存在由反物质构成的星系或天体，那么从地球上应该也能够观察到物质与反物质相互作用时释放出的γ射线。从这一点可以推断出，如果宇宙中有大量反物质存在，那么它们和物质产生的湮灭现象应该能够达到相当大的规模。这种湮灭会造成宇宙中物质的大量消失。
在中国西藏的羊八井地区，中国和意大利正在共同建造一个粒子探测阵列实验站。该实验站为地毯式，面积达1万平方米，能够接收来自宇宙空间的各种高能射线，还可以搜寻反物质粒子。之前，中意科学家已经在该地区联合设置了一些箱式探测器，并且已经接收到了正电子和μ子等高能粒子。本次新建的探测阵列由平面探测器组成，像地毯一样铺设在地面上。这样的探测阵列拥有更大的面积，而且探测器之间紧密结合，能够更好地接收宇宙射线，避免了信息损失。这一工作从铺设到调试完备需要花费两年的时间，建成后将成为世界上海拔最高的实验站。





人类想要获得太阳系之外的物质标本，唯一的来源就是来自宇宙的高能射线。科学家们从很久以前就开始对宇宙射线进行研究。宇宙大爆炸的理论被提出之后，科学家们又开始试图从这些高能射线中寻找反物质的踪迹。但是到目前为止，这些对反物质的搜寻工作还没有取得成果。
在奋进号将阿尔法磁谱仪送入太空的同时，在地球上，科学家们也在实验室环境中努力寻找着反物质粒子。在欧洲核子研究中心，科学家们通过大型粒子对撞机来对粒子进行加速，能够成功地“制造”出反物质粒子，并且能够使之停留一段时间，以便开展研究。欧洲核子研究中心使用的大型强子对撞机，是当今世界能量最大的粒子对撞机。这台设备就是为了通过高能粒子来研究宇宙起源而建造的，目的是发现和解释当今物理学中可能存在但是还没有被证实的一些现象。



这是一台特殊的设备，能够使反粒子的运行速度变慢。科学家利用强磁场，成功地束缚住了反质子，并且利用它来制造反氢原子。当磁场消失时，反氢原子失去束缚，就会与装置内壁发生碰撞并解体。利用这种强磁场，科学家能将反物质粒子束缚住1000秒，虽然这个时间在日常生活中微不足道，但是在原子尺度，它几乎就等同于原子的一生。接下来，科学家们将利用激光或微波对反物质粒子进行照射，以对它的内部结构进行分析，并且研究它和物质粒子的反应有何不同。
质子位于原子核的中心部分，电子围绕着质子旋转，二者组成原子。科学家们利用激光束对反质子进行照射，来测算它的质量，比较它与一般质子的异同。目前，科学家们对质子质量的测量已经可以精确到小数点后9位，在这个尺度上，质子与反质子的质量仍然是相同的。从这一点上来说，质子与反质子即便存在一定程度上的区别，这种区别也是极小的。或许，正是这些极其微小的差异，造成了组成世界的基础是物质而不是反物质。
参与这项研究的科学家罗布·汤普森教授认为，所有研究人员都付出了不懈的努力。尽管此次实验发现的反物质粒子数量很少，只是反物质世界的冰山一角。但是这个发现仍然意义重大，因为这代表了人类对反物质研究的突破，能够使我们在未来更好地了解宇宙，进一步探寻宇宙的起源。
对于这项研究成果，英国物理学家查尔顿教授发表了自己的看法。他认为，我们现在必须对反物质加以了解。因为我们认知的宇宙中全是普通物质，但是我们还要弄清楚宇宙的真实面貌，否则可能处于危险中而自己却毫无察觉。在宇宙中，氢元素是最重要的元素，因此能够发现反氢原子，意义十分重大。



氢原子是结构最简单的原子，由一个质子和一个电子组成。我们之前提到，欧洲核子研究中心在1995年就已经成功制造出反氢原子。但是那时的技术水平有限，这些反物质粒子能够存在的时间只有几微秒，之后就和周围的氢原子相撞并湮灭了。这一次，科学家们在得到了反氢原子之后，利用磁场技术，成功地让这些粒子停留了一段时间。在这段时间里，科学家们能够对反氢原子进行更加深入的研究。这个研究成果能够带动整个反物质领域的研究向前发展，是物理学领域的重大突破。
2011年5月，中国科学家宣布，他们和美国科学家在一个合作研究项目中制造出了反氦4，这是人类到目前为止发现的质量最大的反物质粒子。同年6月，欧洲核子研究中心又传出了好消息，科学家在这里将反氢原子维持的时间提高到了超过15分钟。在自然界中，存在着反物质的能动效应。中国的上海光机所利用激光装置和高压气体靶共同作用，利用它们生成的大量高能电子与高分子材料相互作用，并且产生高强度的γ射线。这些γ射线继续与原子核发生作用，形成正负电子对。科学家利用正负电子在磁场中具有不同偏转的特性，成功地在实验中获得了正电子。
在对反物质的研究上，科学家们正在不断加大投入，建造更为精密和有效的科学实验装置。在欧洲核子研究中心，有一台大型强子对撞机。这台对撞机的隧道有27千米长，科学家通过它对原子进行加速，使原子在超高速下进行高能撞击。原子在这样的高能撞击下，会发射出大量的基本粒子。通过对这些粒子的观测，科学家们正在寻找夸克级别的物质与反物质粒子的差异。对现代宇宙学来讲，解释物质与反物质的不对称性，是一项十分重要的工作。对这个问题的研究会让我们了解，在宇宙形成之初，究竟是哪种力量造成了物质和反物质的分离，进而形成了我们如今看到的世界。我们对反物质的研究还在继续，很多未解之谜还等待着我们去揭晓答案。

Seven

我是第三个看仔细看这篇文章的人！现代人谁会对你这些即复杂又抽象，即无实际意义价值又无多多钞票的物理感兴趣呢！？恐怕只有老美才会养着，供着这一群疯子把他们当宝贝……所以美国佬为什持续先进与绝对领先世界上任何一个国家。现代人类已知的数学与物理只能算是平面级别～根本就没有达到平行级别和零化抽像空间级别……今天的人类还在一个比较原始的状态。……感谢小编发文

念小秋

反人类。。

紫影

上帝蒂造为什么人的体积不是圆的，有左右，正反，上下。

admin

正反，只是数学的表述，古人已知以太极，两仪，再生无限，具体描述了我们的宇宙。