登陆注册
444700000093

第93章 挑战你的想像力—反物质

 什么是反物质

反物质的概念是伟大的物理学家狄拉克最初提出来的。大家知道物质是由分子组成的,分子又是由原子组成的,而原子又是由原子核和电子组成,原子核由质子等粒子组成。按照物理学中的理论,宇宙中的每一种粒子都应该有一与之对应的反粒子,反粒子带有与粒子数值相等而符号相反的电荷,譬如带负电的电子和带正电的正电子就互为物质与反物质。由反粒子组成的物质就是我们所说的反物质。

物质与反物质相遇时会发生湮灭变成光子,同时放出巨大的能量。也就是说,物质与反物质不能相遇。所以,地球上肯定没有反物质,太阳系中也没有。设想如果太阳系中有反物质,那么物质与反物质相遇、湮灭产生的能量早已把我们烘干了!通过几十年来的观测,天体物理学家已经确认:离地球大约一亿光年的空间范围内是由物质组成的而没有反物质。但量子力学认为,各种基本量(如电荷和动量)是守恒的,宇宙创生时产生了物质,必然产生了相等的反物质。例如物质世界中最简单的氢原子是由一个质子和一个核外电子组成的,那么也应该存在着由反质子和正电子组成的反氢原子。由于反物质所产生的光应该与物质是一样的,所以从光谱上无法确定反物质的存在,分辨物质和反物质的惟一办法是对所研究的星系物质进行物理检验。到目前为止,用各种方法所接收到的宇宙射线中仅发现少量的反质子而没有发现反物质的存在。那么,来源于宇宙大爆炸的反物质到了哪儿去呢?还有,反物质到底有些什么性质呢?和对应的物质完全一样还是有很大差别呢?如果详细列举,关于反物质的问题能够列出一箩筐,下面我们还是一个个地叙述吧。

 探索反物质

为了探索反物质之谜,目前科学家采取了两种途径,一是在自然界中寻找反物质,研究反物质的自然状态;二是在实验室中制造反物质,从更多的角度研究反物质。

1997年4月,美国海军研究实验室、西北大学和加州大学伯克利分校等五个著名研究机构的天文学家宣布,他们利用先进的γ射线探测卫星发现,在银河系上方约3 500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源。它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2 940光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。正反物质相遇可释放出巨大的能量和比普通可见光强25万倍的γ射线。银河系反物质“喷泉”是通过这一相接证据发现的,因而它对深入了解反物质的性质帮助不大。为了“面对面”地研究反物质,科学家想到了直接“捕捉”反物质。在地面,由于大气干扰,几乎不可能“捕捉”到反物质,因此科学家把目光投向了太空。1998年6月2日,美国“发现”号航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空。这一核心部分由中国科学家制造的仪器,是当代最先进的粒子物理传感仪,目的是去太空寻找反物质。阿尔法磁谱仪这次随“发现”号上天,尽管没有发现反物质,但采集存储了大量数据。

在自然界中寻找反物质难度很大,而且很难进一步研究它的性质,因此近年来科学家尝试在实验室中制造反物质。

1996年,美国费米国家加速器实验室成功制造了7个反氢原子。此后,在实验室中制造反物质的工作受到很多科学家的高度重视。

目前在实验室中制造正电子、负质子等反基本粒子已是轻而易举,而将正电子与负质子组成反原子尚十分困难,因为将这两种粒子结合在一起并且能证实它们结合成反原子工作十分复杂,因此科学家需要研制功能更强大的研究工具。

目前,欧洲核子中心正在建设世界上最大的原子加速器——强子对撞机。这一对撞机得到欧洲国家和美国、日本、俄罗斯等国家的支持,预计将于2005年建成投入运转,估计耗资60亿美元。科学家认为,随着一系列包括探测器和加速器等研究工具的投入使用,人们将进一步揭开反物质之谜。

 如何制造反物质

总部设在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN),是1954年成立的欧洲粒子物理实验室,是目前世界最大的粒子物理研究中心,有20个成员国。在欧洲核子研究中心工作的3 000余位科研人员,来自80多个国家和地区的500多个研究机构,从事物质的基本结构和它们的相互作用的研究。目前世界上的高能物理实验,约有一半是在欧洲核子研究中心完成的。通过使用高能粒子对撞机(也叫做离子加速器)可以制造反物质。欧洲核子研究中心建造的离子加速器,是沿环绕超磁场排列的一些巨大的隧道,超磁场可以使原子以接近光速的速度推进。当原子通过加速器出来时,它轰击目标,创造出粒子。这些粒子中的一部分,就是用磁场分离的反粒子。这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子。一毫微克是一克的十亿分之一。

科学家还利用加速器,将速度极高的负质子流射向氙原子核,以制造反氢原子。由于负质子与氙原子核相撞后会产生正电子,刚诞生的一个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个负质子结合,就会形成一个反氢原子。在累计15小时的实验中,他们共记录到9个反氢原子存在的证据。由于这些反氢原子处在正物质的包围之下,因此它们的寿命极短,平均为一亿分之三秒(30纳秒),无法存储及进行后续研究。

 反物质的用途

科学家研究反物质有什么用呢?科学家目前可预测的一个可应用的特点是物质与反物质相遇会释放出所有的能量,能量释放率要远高于氢弹爆炸,因为后者只释放了物质内所蕴含能量的一小部分,携带反物质进行星际旅行,可以减少携带的燃料质量。不过,一项重大科学突破问世时,是很难估计它的应用前景的。曾有一位贵妇人质问电的发现者法拉第:“电有什么用呢?”法拉第巧妙地反问道:“新生的婴儿有什么用呢?”当100多年前,汤姆森发现电子时,他不会想到这一突破会应用到我们现在的电视、手机、电脑中。20世纪60年代科学家发明激光器时也不会想到激光居然会应用到商店货物上的条形码、身份证上的防伪标记、灯光闪烁的迪斯科舞厅中。回顾历史,我们可以断言,也许在不久的将来,反物质会给我们带来一个又一个惊喜。

 反物质为何远少于物质

在日本召开的第30届高能物理国际会议上,有两个研究小组公布了自己的研究报告,其中一个小组的发言人大卫·希特林说:“我们想要做的是对构成宇宙的基本组成加以了解。知道宇宙是由什么构成的,自从大爆炸之后它又是如何发展的。”理论上讲,世界上的一切都是相对称的,有组成世界的物质,就有与之相反的反物质存在。在宇宙形成之初,反物质比物质,今天,反物质只能在宇宙射线和质子加速器中找到了。那么那些反物质都到哪里去了呢?

第一,如果能证明反物质比物质衰减更快的话,将会对回答这个问题很有帮助。而这些科学家们研究的就是反物质的衰减速率,但是他们的结论离解决这个问题还有很远的路程。

第二种认识是由前苏联著名物理学家萨哈罗夫提出来的:他认为这一切都是源于物理定律微小的不对称,在大爆炸的最初瞬间,今天所能看到的几乎所有粒子都是融于一体的,成为X粒子,它非常之重,质量约为铝原子核的1万亿倍,随着宇宙冷却的进行,X粒子开始衰变,但是由于微小的不对称,最终变成的粒子和反粒子数目不相等,粒子数目比反粒子数目要多出十亿分之一,它们相互湮灭后剩下的这十亿分之一粒子就形成了今天的宇宙,因而再也看不到反物质世界。1964年曾在一种质子中发现了不对称现象,1998年和1999年美国费米国家加速器试验室的研究者曾在B介子中发现了不对称现象。但是对于这一理论,天文学界还远未达成共识。更深层次的解释还有待以后天文学家们的努力。

同类推荐
  • 冰天雪地:雪灾与低温灾害的防范自救

    冰天雪地:雪灾与低温灾害的防范自救

    青少年是祖国的未来和希望,在成长过程中应受到各方面的特殊保护;同时,青少年自身要提高自我保护意识,学会一些必要的保护自己的方法和技巧,为自己创造一个安全的学习和生活的空间。对于防范自然灾害来说,居安思危才能处变不惊,防患未然才能游刃有余。青少年必须学会自我保护,树立防范意识,知道防范的方法,逐步培养自我防范的能力。本书以图文并茂、通俗易懂的方式介绍了常见的自然灾害的防范常识,在最短的时间内教会同学们如何面对突然的灾难,保持冷静、勇敢,及时做出最正确的选择!
  • 音乐常识速读(速读直通车)

    音乐常识速读(速读直通车)

    音乐是大自然最原始的声音,是生活中的一股清泉,陶冶性情的熔炉,是带走寂寞的使者。音乐有着很多的形式,不同的乐器和演奏方式带来的音乐感受会有所不同,让我们一同走入音乐的这个充满魔力的世界,去了解和感受它吧!
  • 21世纪不是梦

    21世纪不是梦

    ,本书内容包括:我们的地球;时光之箭;世纪末的宣言;中国21世纪议程;大国;土地。发展的基础;倾听大地;话说五谷杂粮;流水,发展的源泉等
  • 技术信息篇(农民十万个怎么做)

    技术信息篇(农民十万个怎么做)

    本书立足于最大限度满足农民朋友对提升科学文化素质和生产经营能力的现实需求,内容涵盖三个方面:一是如何运用种植、养殖等方面的农业科技知识;二是如何选择和利用各类教育培训渠道、形式等;三是如何获得和利用农业信息,做出正确决策, 降低农业经营成本与风险,提升农民对市场的应对能力。
  • 必知的导弹火炮

    必知的导弹火炮

    本书主要讲了导弹火炮知识。军事是一个国家和民族强大和稳定的象征,在国家生活中具有举足轻重的作用。国家兴亡,匹夫有责,全面而系统地掌握军事知识,是我们每一个人光荣的责任和义务,也是我们进行国防教育的主要内容。
热门推荐
  • 厨娘王妃萌宝宝

    厨娘王妃萌宝宝

    楔子天云135年夏,龙云大陆龙云国统一天下一百三十五年,是年,龙云国皇后突然抱病身亡,龙云国的……
  • 洋铁桶的故事

    洋铁桶的故事

    “洋铁桶”姓吴名贵,是晋东南沁源县的一条好汉,他自幼跟随父亲上上打猎,练得一手好枪法。日本鬼子打来了“养铁桶”参加了八路军。他领导的民兵和八路军一道,把鬼子、汉奸和特务打得狼狈逃窜。“洋铁桶”也从此威名远洋。故事酣畅淋漓,情节跌宕起伏,引人入胜。
  • 傻子王爷无情妃

    傻子王爷无情妃

    一只毒蝎子,彻底断送了她年轻的生命!别人只知道,那个软弱没主见的女人被迫嫁给一个痴傻呆闷的七皇子。殊不知,她早已不再是“她”!面对痴傻只会憨笑的美男,她气愤难填!你傻,本美女就医好你,谁知医好后,遭到嫌弃,却换来一纸休书,气愤之下,她恨不得与他同归于尽……
  • 麻辣恋人(女生爱情标本之二)

    麻辣恋人(女生爱情标本之二)

    本书是以高中校园为背景的,从教几年同学生们切磋武艺,可以说各有胜负。其中的血雨腥风没经历的人很难领悟一二。尤其是培育当今年代的花朵,为人师的确不易,在此对战斗在教育战线上的老师们(包括自己)致崇高的敬礼!无疑孩子们身上存在的问题可谓“罄竹难书”,然而他们个性的张扬,自我的肯定不能不令旁人侧目。不一样真的是不一样。
  • 写作素材大全(超值金版)

    写作素材大全(超值金版)

    平时勤于积累,是打开写作思路、丰富写作内容、提高写作能力的根本途径。那么,我们要如何积累素材呢?一是通过广泛阅读,积累写作的语言、技巧等前人已经成功运用过的“间接材料”,为此,平时我们可摘抄一些优美的句子、片段,对于比较好的材料事例,可摘剪下来;二是通过观察生活,积累生活中的直接素材,无论是阅读积累还是生活积累,都围绕一个核心观察世界与社会,思考自我与人生,积累生活感悟。有感悟,你的文章才具有思想性。作家秦牧说:“一个作家应该有三个仓库:一个直接材料的仓库,装从生活中得来的材料;一个间接仓库,装从书籍和资料中得来的材料;另一个就是日常收集的人民语言的仓库。有了这三个仓库,写作起来就比较容易。”
  • 艾森豪威尔传

    艾森豪威尔传

    本书共分十章,包括:德国人的后裔、壮志难酬、战争中的新星、向意大利进军、诺曼底登陆、解放巴黎、向德国本士进军等。艾森豪威尔毕业于将星云集的西点军校。作为战功卓著的军人,他创立了美国陆军第一所战车训练营,指挥过北非登陆战、西西里登陆战、代号“霸王”行动的诺曼底登陆战,以及解放巴黎、攻占德国等战争;作为政治家,他签署了《朝鲜停战协定》;提出“艾森豪威尔主义”,即在中东实行“军事援助和合作计划”,达到一面以武力威胁为手段,一面以经济援助为诱饵,用反共作幌子,排挤英、法等国势力,以实现独占中东的图谋。但随着国务卿杜勒斯的逝世,艾森豪威尔主义最终失效。
  • 盛世冠宠

    盛世冠宠

    如果她的生命分为两部分的话,那么第一世,她活在痛苦之中,每天被关在暗无天日的地下宫室里辛苦练武,她就是一个被操控的傀儡,没有一点人生自由。而他成为她那段苦难日子里的全部,她视他如神袛。却在有一天她被他生生杀死!对,她死了,成为所有人叹息的记忆。而他借着她的名气一跃成为世人膜拜的青霜宫主子,自此风光无限。第二世,她重生,长成了一个没有半点前世记忆,无忧无虑的小姑娘,进入了他主掌的武林大门派青霜宫,与他再次相遇,直至再次爱上。她听信于他编造给她的美好谎言,以为跟他在一起就是一切就是幸福,谁知,有一天突然碰到了一个叫做刘扶萧的男人,这个男人的出现彻底打碎了她和平的生活。前世的记忆纷纷如潮水般淹没了她,她惊恐着,茫然着,又该何去何从?青霜,是一把宝剑,也是一个人的名字。素锦墨染了谁的流年?他们的命运又该何处安放才不至于颠沛流离,痛彻心扉?且看女主如何逆转重生后的命运,将男主的心牢牢把握在手心里。本文一对一哦,奉上精彩的感情戏和重大阴谋戏!
  • 哈佛幸福课

    哈佛幸福课

    在世界著名高等学府哈佛大学,排名第一的课程,不是大宗的经济学课程,也不是实用的法律课程,而是泰勒·本·沙哈尔博士的幸福课。泰勒博士被誉为哈佛大学“最受欢迎的讲师”和“人生导师”,他的幸福课引起了前所未有的轰动,美国、西欧及中国很多家新闻媒体都曾多次进行了报道。泰勒博士的幸福课程被全世界各大企业领袖们誉为“摸得着幸福”的心理课程。
  • 穿越之医仙神妃

    穿越之医仙神妃

    女主角慕琳儿因为十年没见的爷爷被绑架,她答应绑匪刘老去异世拿到刘老家里的老祖宗所说的长寿石。穿越到异世之后,成为了同名同姓的慕琳儿,多了一个哥哥,兄妹两人都是废材,被家族遗弃到了一个偏远的小村子……【情节虚构,请勿模仿】
  • 重生之玉枝

    重生之玉枝

    陈骋,女,具有过目不忘和预测危险的能力。出生时有严重的心脏病,11岁因病离世。死后重生在几千公里之外的深山中一位叫玉枝的同龄女孩儿身上。而且,她必须在山中至少生活六年。六年后,陈骋回到家乡,迎接她的又会是怎样的纠葛?