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什么是太空中的反物质?

发布时间:2019-11-01 23:14 来源:未知 编辑:admin

  1998年6月2日北京时间6时4分在美国肯尼迪航天发射中心,“发现号”航天飞机顺利发射升空。“发现号”此行的目的是为了把多国科学家共同研制的大型空间探测器----“阿尔法磁谱议”送入太空以探寻理论上预言的反物质的暗物质。

  众所周知,我们的这个世界是由物质组成的,而物质又是由原子、分子等微观粒子所构成。反物质则与之相反,它是由原子、分子的反粒子,即反原子和反分子所构成,因此,反物质具有与物质完全相反的性质。

  反物质这一要领的提出由来已久,但它首先要从正电子的预言与发现说起。早在1928年,英国物理学家狄拉克在尝试将20世纪的峡谷个最重要原理----相对论与量子力学结合起来的实践中就发现了这一现象,并预言了正电子的存在。而所有这一切则是由狄拉克建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。狄拉克在对这个方程求解的过程中共得到了4个描述电子内部状态的解,用以说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态可以用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释;但对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解得出了离奇的结论。这就是说,如果一个电子真的能够存在于负能状态,那么它不会因与其他粒子相碰撞而逐渐减速并最终停下来,而是将加速得越来越快,直到它的速度等于光速。但是,从相对论方程的分析中很清楚地知道,这种性质是不可能的。由此,狄拉克提出了他著名的假设。

  他假设我们平时所谓的真空,其实并不是真空的,而是一种所有负能级上都有两个电子的系统,所以,真空中就应有无穷数目的电子,并且全部负能级都被电子占满了。根据泡利不相容原理,电子不可能跃迁到某个已被占满的负能级,所以它只能留在正能级区的某一个能级上。因此只能是处于负能级的电子受到激发后向正能级跃迁。这种过程正如电子由正能级跳跃到负能级上的反过程。只要有能量大于能级的光子激发,是完全可能发生的。如果它发生了,那么这个具有正能量的电子将会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。怎么解释这个空穴呢?举个例子,若我们手上系着几个充满氢气的气球,就会感觉到手上有一个向上拉的力,如果突然有一个气球的引线断了,我们将感觉到向上拉的力减少了,但我们也可以解释为多了一个向下拉的力。同样,在负能级状态少一个电子的空穴行为就像在那儿产生了一个有正能量的带正电的粒子,这个粒子正是我们所谈的正电子。这样,人类便第一次从理论上预言了反粒子的存在。紧接着在1932年,卡尔。安德生通过对宇宙射线的威尔逊去层实验发现并证实了正电子的存在。

  继安德生发现正电子后,1955年张伯莱发现了反质子,1956年又发现了中子。20世纪60年代前后相继发现一系列反超子,一个又一个反粒子的发现使人们联想到是否所有的粒子都有与之对应的反粒子呢?在此后进行的一系列实险中发现除了光子等少数粒子的反粒子是其本身外,所有粒子都有反粒子。人类自古就相信宇宙是对称的思想不禁又使人们想到了既然粒子能组成物质,那么反粒子为什么不会组成反物质呢?

  但是探索反物质的道路是艰难的。从发现第一个反粒子到现在已近70年,其间人们也仅是从实验中获得了一些反粒子,并且最近几年才人工合成了第一反原子----反氢原子。而对于能构成反物质的其他各类反原子、反分子都还一无所获,更谈不上反物质了。产生这些困难的原因在于人们发现的反粒都是从宇宙射线路获得的,而宇宙射线要达地球首先要穿过厚达3000千米----4000千米的大气层,所以射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已与大气层中的粒子中和了。因而人们所能探测到的反粒子就微乎其微了。而且反粒子都很不稳定,很容易和周围物质粒子发生湮灭。所以,科学家们认为在现在我们所处的这个物质世界中是不可能存在反物质的,即使存在也会很快和周围物质相中和,因此,只能把探寻反物质的希望寄圩宇宙空间。在宇宙空间深处可能存在一个与物质世界完全相反的空间,在那里会存在大量的反物质,基于这一考虑,许多国家的科学家们数年共同努力下,“阿尔法磁谱议”终于升入太空。经过10天的太空航行后,它将对宇宙中是否存在反物质做初步探测。到2002年“阿尔法磁谱仪”将被安置到新建的“发现号”空间站,从而开始对反物质的大规模探测。

  反物质如果被探明确实存在,那将会是对在此基础上建立起的现有宇宙起源论及相对论量子力学理论的最有力的实验验证。我们都知道根据爱因斯坦质能方程E=mc^2,物质减少的质量将会转化为能量。

  现在的核反应正是利用了这一点,但核反应不能使质能完全转化;而物质与反物质相中和,湮灭后辐射出的是零质量的r光子,所以其质量将会完全转化为能量。1千克铀235完全裂变释放出的能量相当于2000吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能,而同等质量的物质与反物质中和放出的能量则是铀235的3200多倍!因此探索反物质对于能源相对短缺的现代社会亦有着重要大意义。

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