反物質消失之謎!它們到底去哪了呢宇宙中的反物質為何離奇消失?

1928年,量子力學大師狄拉克在提出了自己的狄拉克方程後,原本應該大喜過望,卻反而陷入了沉思。因為在這個方程裡,有一個問題不能解決,那就是電子可能擁有負能量。

剛剛發現這個問題的時候,物理學家們甚至都不知道這是數學上出現了計算問題,還是真的存在這樣詭異的粒子。為了解釋這個問題,他提出了狄拉克海的概念,認為宇宙中本來就有各種帶有負能量的粒子,只不過它們的能級都被填滿了,所以我們只能看見普通的粒子。

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我們現在知道,狄拉克發現的,其實就是所謂的反物質。所謂的反物質,就是和普通的粒子相對應的一些粒子,雙方擁有著相反的能量等一些映象的資料。

1932年的時候,美國物理學家安德森發現了正電子,這是人類第一次證實了反物質的存在。1955年,美國物理學家格雷西又發現了反質子,至此再無人質疑反物質的存在。

現在我們知道,所有的粒子都有屬於自己的反粒子。而且,當相同的正粒子和反粒子相遇時,二者就會發生湮滅,轉化為能量,而這個轉化過程就遵循愛因斯坦提出的質能方程,產生的能量極其巨大。僅僅一克物質和對應的反物質湮滅,就會產生超過4萬噸TNT烈性炸藥的能量!

隨著反物質發現得越來越多,新的問題也出現了:如果所有的物質都有完全對應的反物質,那麼它們在宇宙大爆炸的時候應該是等量產生的。可是,今天的宇宙中幾乎只有普通物質,除了一些粒子的衰變、宇宙射線或者人類的實驗中,幾乎沒有反物質的存在。那麼,它們到底去哪了呢?

反物質消失之謎

這個問題一直是困擾著科學家的終極謎題,甚至在各種科學謎題的排行榜中都有它的身影。多年以來,科學家們一直試圖找到這個問題的答案,並提出了多種理論。最近,歐洲核子研究中心的大型強子對撞機底夸克(LHCb)實驗似乎找到了可能的答案。

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(圖片說明:LHCb實驗)

科學家指出:之所以有今天物質主宰宇宙的局面,應該是宇宙大爆炸初期有什麼機制導致物質佔了上風,這或許與當時高得驚人的密度和溫度有關。然後,隨著宇宙逐漸冷卻,殘餘的少部分反物質全都和物質發生湮滅,轉變為能量,從此宇宙中只剩下物質和能量。

問題就出現在這裡:到底是什麼機制導致了物質的盈餘呢?

LHCb的科學家們認為:或許夸克能解釋這個問題。

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夸克的秘密

我們知道,質子和中子等重子並不是基本粒子,它們都是由一種叫做夸克的粒子構成的。夸克又分為六種,物理學家稱之為六個“味”,分別是上、下、奇、粲、底和頂。此外,這六種夸克又分別有它們自己對應的反物質,也就是六種反夸克。

上夸克和下夸克是我們比較熟悉的,因為質子和中子都是由它們構成的。而其他夸克可以透過一些高能環境產生,就比如像歐洲的大型強子對撞機這樣的粒子加速器。

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(圖片說明:大型強子對撞機)

同時,一個夸克和另一種反夸克還可以結合為介子。其中,有四種中性介子非常值得注意,分別是B0s、B0、D0和K0介子,它們可以自發地變成對應的反粒子,還可以再變回原來的粒子,這個現象最早在20世紀60年代被發現,被稱為味振盪。

這些基本粒子並不穩定,在振盪的過程中,就會發生衰變,分裂成其他更穩定的粒子。而在這個振盪和衰變的過程中,就有可能蘊藏著宇宙中反物質消失之謎的答案。

CKM機制

1956年,楊振寧和李政道做了一件轟動物理學界的事,那就是在吳健雄的幫助下證明了弱相互作用下的宇稱不守恆。接下來,物理學家又提出了電荷-宇稱的守恆,但同樣在1964年被發現了對稱性破缺。

1973年,物理學家們提出了卡比博-小林-益川矩陣,也就是所謂的CKM機制,給出了電荷-宇稱不守恆存在的必要條件。在這個機制中,物理學家指出了物質和反物質的一些細微差別。

現在科學家認為,反介子和介子的衰變有所不同,在振盪的過程中,其衰變速度會有所降低。於是,更多的介子衰變成了其他的物質,而反介子衰變得較少,又振盪回介子,衰變……在這個過程中,反物質就越來越少了。

但是問題在於,目前我們發現的這種差異還比較小,不足以解釋今天我們看到宇宙完全由物質主宰的局面。也就是說,一定還有其他什麼機制,是我們目前還不瞭解的,它同樣可以造成二者之間的差異。

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物理學大廈的建立

在LHCb實驗中,科學家們對B0s介子進行了研究,觀察它們衰變為兩個帶電的k介子的過程。利用大型強子對撞機,科學家可以利用質子之間的碰撞製造出B0s介子,也會產生反B0s介子。這些介子在被製造出來後,每秒鐘就能反覆震盪數萬億次,二者之間振盪次數的差異就是科學家重點關注的資料。

他們發現,二者的衰變次數果然不一樣,B0s介子衰變更多一些,這也是科學家首次發現B0s介子和反B0s介子之間的衰變隨著振盪而出現不對稱的現象。

這次發現,不僅可以幫助我們理解反物質消失之謎,而且讓科學家測量到了不對稱性的規模,這對於其他物理引數的測量也有重要的意義。透過這次研究的資料和以往的一些資料進行對比,可以檢驗此前的研究和理論是否正確,鞏固已經建立的物理模型。

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當然,解釋反物質消失之謎同樣重要。如果不是有這些機制的存在,那麼今天的宇宙根本不會形成。當初如果所有的物質和反物質都湮滅了,今天的宇宙就是充滿了能量而沒有穩定物質的宇宙,又哪裡會有人類呢?

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1克反物質就可以摧毀一座城市?反物質到底是什麼?

物質和反物質,就象正和負,借和貸的關係一樣,含義恰恰相反,那麼把它們放在一起又會擦出什麼樣的火花呢?根據宇宙大爆炸理論,粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子,宇宙中物質和反物質的數量應該是相等的。但事實卻是現在的宇宙中滿是物質而缺少反物質,雖然沒有人知道這是為什麼,但正是由於反物質的缺乏,科學家特別地關注它也更熱衷於研究它。

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由於地球上很難發現反物質,所以科學家們研究的反物質都是在實驗室裡造出來的。首先他們會用加速器來製造負質子,負質子非常重,它與物質中的質子一樣重。然後就要想辦法得到它的正電子,相比於負質子這些正電子更容易得到,並且這些正電子會像電子一樣輕,其中的一些物質還會透過發射而進行自然衰變。

反物質消失之謎!它們到底去哪了呢宇宙中的反物質為何離奇消失?

得到負質子和正電子後,科學家們只需要把他們放在一起,就能得到稀有的反物質。這些反物質和物質存在著非常巧妙的關係,它們是正常物質的反狀態,當與正常物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消發生爆炸併產生巨大能量,這種能量的釋放率遠遠高於核彈氫彈,只需要幾克就能產生出相當於一枚戰略核彈的能量。正是它有如此誘人的魅力,在科幻小說中,以反物質作為燃料的星際飛船才會經常出現。但是要把這個幻想付諸實現還有相當的難度,反物質中的正電子負質子都是反粒子,與我們通常所說的電子和質子相比,具有相等的電量但是它們的電性卻完全相反。對此我們可以大膽假設:無論物質呈現什麼樣的性質,反物質永遠與之相反。那麼我們如果讓物質和反物質,做一次自由落體運動又會發生什麼呢?

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讓我們先說一說什麼是自由落體吧,1598年夏天,比薩大學教授伽利略在比薩斜塔上做了一個足以改變世界文明程序的實驗,他站在比薩斜塔的頂端從距離地面191英尺的高空中同時扔下了兩個質量分別為10磅和1磅的鉛球,出乎當時人們的意料,這兩個鉛球幾乎同時落地,這個實驗不僅推翻了亞里士多德的,物體下落速度和重量成正比的學說,並且伽利略還透過反覆計算,得出了在不計空氣阻力的情況下,物體的自由下落速度是相同的,牛頓的萬有引力定律告訴我們,這兩個物體是在地球引力場中進行的自由落體。

反物質消失之謎!它們到底去哪了呢宇宙中的反物質為何離奇消失?

引力是質量固有的本質之一,是兩個物體質量之間相互吸引的力量,也正是因為地球有巨大質量,才能有巨大的吸引力,才能使物體下落,但是這些物體都是大物體,對於小小的粒子而言情況就大有不同了,通常來說粒子的質量是非常小的,它們能感受到的引力也特別小,物質與反物質就是這樣,更神奇的是,如果是負質子和質子這樣的帶電粒子,會受到電荷上的電磁力影響,它們的質量和重力就檢測不到,但是如果是氫原子這樣的不帶電粒子其質量和重力就可能被我們檢測到。

反物質消失之謎!它們到底去哪了呢宇宙中的反物質為何離奇消失?

按照直覺分析,這個被檢測到的氫原子在做自由落體運動的時候,會被地球引力吸引從高空向下落,同樣地它的反物質也會被地球引力吸引,呈現下落狀態,但是問題來了我們剛才說無論物質呈現什麼樣的性質反物質永遠與之相反,那麼如果在自由落體運動中,物質呈現下落的性質它的反物質就應該向上飛嗎?這個問題智慧如愛因斯坦一般的科學家不知道,我也不知道,不妨留給你猜猜看吧。

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