反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

我們在平時經常會聽到反物質,暗物質,暗能量等詞彙,這些其實都是物理學中的概念。那它們之間有什麼區別,又和我們這個世界的一般物質有什麼關係呢?

今天,我們就來說說這個問題。

宇宙大爆炸

如果這個事情要進入溯源的話,那其實需要追溯到宇宙的起源。按照目前主流的科學理論,我們知道,宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

但是可能很少人知道,正是由於大量的粒子物理學家加入到研究這個宇宙學的問題,才使得這個理論可以在近100年來被創建出來,並逐漸成熟。要知道粒子物理學家可都是研究微觀世界的物理學現象,是我們如今認知的最小尺度,而宇宙則是最大的尺度。明明兩者是一大一小,照理說應該完全是兩碼事,但實際上它們卻是一碼事。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

具體來說是這樣,宇宙大爆炸之後,在極其短的時間內,空間開始膨脹。此時的溫度極其高,隨著空間的膨脹,溫度也在逐漸下降。

最早宇宙是處於純能量的狀態,宇宙空間中充滿著高能的光子。這些光子之間會發生相互的碰撞。只要能量足夠大,這種碰撞就足以產生一對正反粒子,比如:正反質子,正負電子等。這些粒子其實都是在不同的溫度環境下產生,我們也把這個溫度稱之為閾值溫度。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

正如上文說到的那樣,光子的對撞產生的是一對正反粒子,這些正反粒子之後還會相互碰撞,發生湮滅。比如,一對正負電子湮滅,就會完全轉化成光子。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

科學家發現,在宇宙的早期,每10億對正反物質粒子對撞湮滅後,都會留下一個正物質粒子。比如,每10億對正反質子對撞湮滅後,都會留下一個質子,每10億對正負電子對撞湮滅後,留下一個電子。

我們這個世界如今的可見物質就是正物質,也就是如今的都是那個時候的“倖存者”構成的。而反物質其實就是會與正物質湮滅的物質。

那反物質又和暗物質有什麼關係呢?

暗物質

宇宙誕生之後,一直處於膨脹狀態,大概在宇宙大爆炸後2億年,恆星就出現了,後來逐漸有了星系,然後如今宇宙中的各種天體。我們知道,天體會繞著另外一個天體運動其實是因為萬有引力定律。這是牛頓提出來的,萬有引力和天體之間的距離平方成反比,與質量成正比。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

就拿地球來說,按照牛頓的理論,地球應該是有個初速度的,然後繞著太陽轉,如果地球的速度再快一點,按照理論,地球軌道就要再向外擴一點。這應該如何理解呢?

我們都看過鏈球比賽,運動員會把鏈球甩起來,最後丟擲。當運動員把鏈球甩得越快,他要抓住鏈球的力量就需要更大一些,否者就會把鏈球甩出去。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

太陽拽住地球也是這個道理,而太陽依靠的就是萬有引力。

可是天文學家就發現,在許多大星系中,透過理論計算,就發現遠離星系質心的恆星沒有引力距離遠了,運動速度減慢。用鏈球的例子來看,就是說運動員把鏈子變長了,甩得還那麼快,可是用的力還是那麼多,這其實是很不符合理論的。實際上,運動員要提供額外的拉力,才能拉得住。而星系也是需要提供額外的引力才能拉住這些恆星。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

也就是說,科學家發現了理論和測量之間的差別特別大。那到底是誰提供了額外的引力呢?

科學家就提出了暗物質的想法。那應該如何理解呢?

在我們這個宇宙中,如今我們知道一共存在著4種基本作用力,分別是強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用和引力相互作用。其中強相互作用和弱相互作用是作用在原子核的層面。因此,在日常生活中,我們所接觸的作用,不是引力就是電磁力。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

彈力,支援力,摩擦力的本質其實都是電磁力,甚至包括我們觀測天體,實際上是光子進入到了眼睛裡,或者觀測儀器上,和眼睛或者觀測儀器發生了電磁相互作用,我們才能夠看到的。因此,如果物質不參與電磁相互作用,我們就無法看到它。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

科學家認為,暗物質就屬於不參與電磁相互作用,但是參與到引力相互作用的物質。因此,它其實存在於星系的內部,提供引力,但由於我們觀測不到它,因此,沒有把它提供的引力計算在內,才會出現上文提到誤差。

因此,暗物質和反物質其實是兩種完全不同的東西,反物質和正物質會發生湮滅,而暗物質粒子則是因為不參與電磁相互作用,所以可以直接穿越正物質。

根據科學家的計算,科學家發現暗物質在宇宙中的總量是可見物質的6倍。正是它們的存在,才使得星系不會分崩離析,所以,它們其實也可以被認為是星系的粘合劑。

反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?

這就意味著我們其實是被暗物質包圍著的,我們的身體時時刻刻都有暗物質粒子穿過,而我們不得而知,如果這些暗物質粒子全部換成和我們直接對應的反物質,那整個宇宙就會處於湮滅的爆炸中。

總結

暗物質和反物質其實是兩個完全不同的物質,反物質會和與其對應的正物質發生湮滅,轉化成電磁波。而暗物質提供的是提供引力,但不參與電磁相互作用,它不會和物質發生湮滅作用。

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