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“宇宙另一半”消失还是隐匿? 它或是破解谜题的关键

来源:科技日报2022-08-11 08:16

  反物质和正物质的质量和电荷数是一样的,但电荷的符号不一样,是相反的。通常,原子核带正电,电子带负电。反物质则是正常物质的镜像,它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。

  李祖豪 中国科学院高能物理研究所研究员

  多年来,科学家渴望能够在宇宙中找到反物质的蛛丝马迹。近日,据媒体报道,根据国际空间站上携带的阿尔法磁谱仪粒子探测器收集到的数据,科学家推测宇宙中的反物质可能比我们认为的要更多。此前,就有一些科学家认为,反物质可能以反物质恒星的形式存在于宇宙之中。

  什么是反物质?反物质和物质是彼此的镜像吗?反物质恒星真的存在吗?带着这些问题,记者采访了相关专家。

  反物质从科幻走向现实

  科学作家戈登·弗雷泽在《反物质:世界的终极镜像》一书中写道:“反物质对星际迷航中‘企业号’的运行是决定性的,要是没有反物质,就没有星际迷航。”此言不虚,在电影《星际迷航》中,反物质是星际旅行的基础,“企业号”飞船正是以正反物质湮灭产生的强大能量作为推力,实现超光速飞行。

  而在小说家丹·布朗的小说《天使与魔鬼》中,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家在实验室中制造出了反物质,仅需0.25克的反物质就足以在顷刻间毁掉梵蒂冈。

  反物质不仅存在于电影情节和文学创作中,还是科学研究的重要方向之一。中国科学院高能物理研究所研究员李祖豪认为,要认识反物质,便绕不开这几个名字:

  1928年,“反物质之父”保罗·狄拉克写下了一个用来描述电子的方程,这个方程也就是后来大名鼎鼎的“狄拉克方程”,它使年仅26岁的狄拉克在科学界一举成名。狄拉克方程在理论上预言了反物质的存在——一个电子必须有一个等量但带着相反电荷的对应粒子。狄拉克将这些新粒子称为“反粒子”。

  1929—1930年,我国物理学家赵忠尧在实验中观测到了“反电子”存在的痕迹,其论文为研究“正—负”电子对的产生提供了证据,在反物质的研究中,留下了中国科学家的“足迹”。

  让反粒子从理论走进现实的是美国物理学家安德森。1932年,安德森宣布在宇宙线中发现了“反电子”,证实了反粒子的存在。1936年,年仅31岁的安德森凭借这一发现和科学家赫斯分享了诺贝尔物理学奖。

  1955年,张伯伦和塞格雷等科学家利用高能质子同步稳相加速器成功“捕捉”到了反质子,二人在1959年分享了诺贝尔物理学奖。随后,科学家们陆续制造出了反中子和反氘核等反粒子。

  1995年,欧洲核子研究中心的物理学家奥尔勒特带领团队进行了第三次制造反物质原子的实验,在为期3周的反质子与氙原子的碰撞实验中,一共产生了9个反氢原子,其平均存活时间为一亿分之四秒,以接近光速行驶了十几米,然后就与正物质发生湮灭。这意味着,在实验室成功制造出了第一批反物质原子——反氢原子。

  实验室成功制造出了反物质。那么,宇宙中的反物质栖身何处呢?

  1997年,美国天文学家宣布,他们利用康普顿伽马射线天文台,发现在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源(银心反物质喷泉)。后来的研究显示,银河系中心确有大量不明来源的反物质,但并非以“喷泉”的形式存在。

  2011年,阿尔法磁谱仪粒子探测器升空。目前科学家已通过这一设备观测到反氦四候选事例。“反氦四是反氦原子核,被认为不太可能由宇宙线碰撞产生。”李祖豪解释道,“所以,如果能证实宇宙线中存在反氦四原子核,将是反物质天体存在的有力证据。”

  正反物质本为“一母同胞”

  反物质的存在被确定了,但新的问题又出现了——反物质究竟长什么样?与正物质相比,它有何不同?反物质来自何方,又去往何处?

  通俗地说,反物质世界是我们现存世界的镜像,其构成元素、外观甚至光谱结构看上去都与正物质世界别无二致,仅仅在某些物理特性上有差异。

  “反物质和正物质的质量和电荷数是一样的,但电荷的符号不一样,是相反的。”李祖豪表示,“通常,原子核带正电,电子带负电。反物质则是正常物质的镜像,它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。”

  欧洲核子研究中心的一项研究显示,氢原子和反氢原子的光谱结构看起来是一样的。欧洲核子研究中心还表示,到目前为止,反物质看起来就像我们所知的普通物质。

  据李祖豪介绍,科学界普遍认为,宇宙大爆炸早期曾产生了数量相当的正物质和反物质,可以说二者“一母同胞”。但如今在地球附近几乎看不到天然存在的反物质,这被称为“反物质缺失之谜”。

  理论上,宇宙大爆炸时所产生的粒子与反粒子数量应当相同,但为什么现今我们所看到的都是正粒子?反粒子去哪儿了?

  李祖豪介绍道:“目前有两种假设:一种认为,由于大爆炸产生的正反物质在宇宙演化中的性质不同,反物质逐渐消失,只剩下正物质,不过目前的实验结果并不支持这一结论;另一种认为,大爆炸产生的物质和反物质分别处在宇宙的不同区域。”

  换句话说,反物质要么“不辞而别”,要么隐入宇宙深处。

  只能等待反物质“自投罗网”

  “反物质缺失之谜”长久困扰着科学家,关于反物质的假设也层出不穷。其中一个假设认为,反物质可能以反物质恒星的形式存在于宇宙之中。这个假设意味着,如果反物质恒星存在的话,反物质就有可能构成“宇宙的另一半”。

  为了验证这个假设,我们该如何寻找反物质恒星?

  李祖豪表示,严格来说,现有的研究无法寻找反物质恒星。当前国际范围内唯一在太空探测反物质的磁谱仪——阿尔法磁谱仪已在国际空间站工作了10余年,它的主要任务是寻找反物质和暗物质,精确测量宇宙线的成分和能谱以研究宇宙线起源。然而,阿尔法磁谱仪被固定在国际空间站上。因此,严格来说,在现有的研究条件下,我们只能等待反物质进入磁谱仪的探测范围,而无法主动寻找反物质及反物质恒星。

  目前主要有两种探测宇宙中反物质粒子的手段,一种是通过磁谱仪直接探测反物质,另一种则是通过高能探测器探测正物质和反物质湮灭产生的高能光子判断反物质的存在。探测及验证反物质恒星存在的困难在于,判断反物质乃至反物质恒星存在,需要基于对宇宙中带电粒子的观测。但和具有指向性的光不同,带电粒子不具有指向性。因为在传播过程中,带电粒子容易受到磁场的影响不断地改变方向。因此,哪怕探测到了反物质粒子,也无法判断其来源,科学家无法对拥有数百万年“旅行史”的反物质粒子“寻根究底”,追溯其源头。因此,对反物质恒星的探测和验证也就变得尤为艰难。

  尽管如此,仍有许多科学家对探寻反物质以及反物质恒星的存在报以热忱。

  李祖豪表示,如果反物质恒星存在的话,它将是完全由反物质构成的,其中所有的基本粒子都有与我们现今世界粒子一样的质量和寿命,但电荷符号等基本物理特性是相反的,这对我们已知的所有物理规律具有怎样的影响,还有待理论学家的计算和实验验证。

  法国科学家曾计算出可能潜伏在宇宙中的反物质恒星的最大数量。科学家认为,反物质恒星会像正常恒星一样发光,且每40万个普通恒星中或将存在一个反物质恒星。然而,这一假设是否成立,仍有待进一步验证。

  “今人不见古时月,今月曾经照古人”,和时年138亿岁的深邃宇宙相比,代代更迭的人类显得异常渺小,许多关于宇宙的问题,只能等待时间来给我们答案。也许在高能探测器和磁谱仪不曾看向的角落,有着来自反物质恒星的光,只等人类的惊鸿一瞥。

[ 责编:张璋 ]
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