书城科普读物走进科学丛书:破解科学的谜团
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第13章 反物质之谜

要想弄明白宇宙中有没有反物质,首先要弄明白什么是反物质。

反物质是和物质相对立的一个概念。众所周知,世界是由物质构成的,而物质又是由原子构成的,原子的中心是原子核,原子核由质子和中子组成,有个电子围绕原子核旋转。原子核里的质子带正电核,电子带负电核,它们携带的电量相等,不过一正一负,是相反的。

从它们的质量角度看,质子是电子的1840倍,形成了强烈的不对称性。因此,20世纪初有一些科学家就提出疑问,二者相差这么悬殊,茫茫宇宙中存在着不为人知的反物质吗,我们生活的地球还有它的另外一面会不会存在另外一种粒子,它们的电量相等而符号相反,如:一个同质子质量相等的粒子,可带的是负电荷,另一个同电子质量相等的电子,可带的是正电荷?这就是反物质概念的最初观点。

1928年,英国青年物理学家从理论上提出了带正电荷电子的可能性。这种粒子,除电荷同电子相反外,其他都一样。1932年,美国物理学家经过实验,把预言变成了现实。他把一束γ射线变成了一对粒子,其中一个就是电子,而另一个同电子质量相同的粒子,带的就是正电荷。1955年,美国物理学家等人在高能质子同步加速器中,用人工方法获得了反质子,即质量同质子相等,却带负电荷。1978年8月,欧洲一些物理学家又成功地分离并储存了300个反质子达85个小时。1979年,美国的科学家把一个有60层楼高的巨大氦气球放到离地面35公里的高空,飞行了8个小时,捕获了28个反质子。从此,人们知道了每种粒子都有相应的反粒子。

人们从反粒子自然联想到反原子的存在。一个质子和一个带负电的电子结合,便形成了氢原子。那么,一个反质子和一个正电子结合,不就形成了一个反氢原子了吗?类推下去,岂不会形成反氢分子、反元素、反分子吗?由此便构成了一个反物质世界。有人认为,宇宙是由等量的物质和反物质构成的。

从理论上看,宇宙中应该存在一个反物质世界。可事实上并不这么简单。经研究发现,粒子和反粒子一旦相遇,它们就会同归于尽,从而转化成高能量的γ光子辐射。可这种光子辐射人们至今还没有发现,在我们地球上很难找到反物质,因为它一旦遇到无处不在的普通物质就会湮灭。

那么,宇宙中存在着反物质吗?存在着一个反物质世界吗?按照对称宇宙学的观点,是存在的。这一学派认为,我们所看到的全部河外星系(包括银河系在内),原不过是个庞大而又稀薄的气体云,由等离子体构成。等离子体既包含粒子又包含反粒子。当气体云在万有引力下开始收缩时,粒子和反粒子接触的机会就多了起来,便产生了湮灭效应,同时放射出巨大能量,收缩的气体云又开始膨胀。这就是说,等离子体云的膨胀,是由正反粒子的湮灭引起的。

按照这种说法推论,在宇宙的某个部位,一定存在着反物质世界。如果反物质世界真的存在的话,那么,它只有不与物质会合才能存在。可物质和反物质怎样才能不会合呢?怎样才能判断出宇宙中哪些天体是正物质,哪些是反物质?为什么宇宙中的反物质会这么少?这些都是留给人们的待解的谜团。