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暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?

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online_admin 發表于 2017-3-20 21:02:05 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
  宇宙中所有的物質都在飛速運動,如此巨大的銀河系,圍繞旋轉一圈只需要兩億年的時間。科學研究證明,銀河系內部的引力是無法與如此巨大的速度帶來的力量保持平衡的,如果沒有外力作用,銀河系將會因為自身的高速旋轉而被撕裂,但是事實上并沒有,所以科學家們認為,有一些看不見的物質對銀河系施加了一個外力,是這個外力把銀河系的物質凝聚在了一起。同時我們發現,星系團中的星系也在快速運動,我們可以認為,是暗物質對這些星系發生了作用。

   暗能量與反物質

在萬有引力定律中,正常的物質在引力作用下,會向星系中央聚集,但是我們觀測到的結果卻并非如此。這些看不見的暗物質對普通物質起著巨大的作用。但是,這些暗物質之間無法發生核聚變,所以它們在通過彼此時不會產生碰撞,也無法釋放出可見的能量。這些物質可能是質量巨大的亞原子粒子,它們的質量是質子的許多倍。這些亞原子粒子被稱為弱作用大質量粒子,它們能夠對物質產生影響,彼此通過引力發生作用,對電磁力則并不敏感。


  我們通常所說的物質,是由帶正電的原子核與帶負電的電子組成的。而有一種物質與我們所知的正好相反,它們由帶負電的原子核與帶正電的電子組成,所以也被稱為反物質。這些反物質在與正常物質碰撞時,會發生物質的湮滅。在過去,反物質只是人們提出的一種假設。直到1997年,科學家們才宣布,在銀河系的中心發現了反物質。


 一、發現暗能量


  從1998年人類第一次意識到宇宙在膨脹,科學家們就發現宇宙中有一種難以解釋的存在。宇宙的命運,似乎與這些神秘的存在息息相關。因為無法直接觀測到,所以科學家們將它稱為暗能量。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?62 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584


  為了對宇宙進行更好的觀測,很多主要的天文研究中心都設立在人跡罕至、遠離光污染和其他干擾因素的山頂或者荒漠中。在這些研究中心里,有人類能建造的最為發達的各種科學儀器和保障設施,以及巨大的天文望遠鏡。智利帕拉納爾天文臺,是一座備受全世界天文學家青睞的天文觀測機構。這座天文臺的望遠鏡系統通過一套巨大的發電機驅動,這臺發電機的功率高達2M瓦。科學家們使用如此先進的設備,是為了找到一種基本粒子——光子。宇宙中的光子攜帶著豐富的信息來到地球,它們有些來自地球附近,還有一些來自遙遠的宇宙深處。通過對這些基本粒子的研究,科學家們能夠了解恒星、星系乃至宇宙的演化過程。


  但是,人類對宇宙的了解越深入,就越感到自己的渺小。宇宙是如此包容和博大,任何我們試圖了解它而做出的努力,都顯得微不足道。從古希臘時期開始,人類就已經開始了對宇宙的探索和研究。那時,人類還不具備對宇宙進行深入觀測的設備,只能靠肉眼觀察夜空中的星星。他們根據觀察到的現象,創立了許多學說。在古希臘人看來,地球的基本構成元素分為四種,分別是空氣、土、水和火。


  后來,古希臘思想家亞里士多德進一步闡述了這一理論。他認為,宇宙是由兩部分組成的,一部分是腳下的地球,一部分是天空中的星。其中,地球是由前述四種基本元素組成的,而天空中的恒星和行星則是由被一種稱為第五元素的神秘元素——以太構成的。在他看來,恒星和行星組成的世界是恒定的,萬古不變的。同時,古希臘人認為,地球是宇宙的中心。宇宙中的各種天體圍繞地球運動,形成一個個同心圓。由此出發,很多新的科學發現誕生了。人們逐漸發現,地球并不是宇宙的中心,而是一顆圍繞太陽運行的普通行星。
  太陽也只是一顆普通恒星,位于銀河系中。銀河系屬于更為巨大的天體結構——本星系群,而本星系又是星系團的一個微小的組成部分。眾多星系團構成超星系團,而宇宙是由眾多超星系團組成的。簡而言之,宇宙的尺度,遠遠超出了人類的想象。用各種先進的觀測設備捕捉到的光子被用來研究宇宙的基本特性,但是研究越深入,人們就越感到自己的無知。于是,在試圖對宇宙進行更深入的解釋時,科學家們再一次提出了第五元素的概念。


暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?70 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584


  過去,當人們談起宇宙時,總是使用大致的、模棱兩可的表述,但是現在,科學家已經能夠詳細了解宇宙的整體結構和密度。哈勃使用造父變星測量出了星系與地球之間的距離。現在,科學家又開始了對瀕死恒星的研究。恒星內部的核聚變將氫元素消耗殆盡后,恒星便進入了生命的尾聲。恒星會開始膨脹,氣體外殼逐漸消失,最后只剩下一個致密的核,體積與地球相似,這就是白矮星。有些白矮星會繼續吸引其他天體的物質,當達到臨界點時發生爆炸,形成了1A型超新星。因為這種超新星的爆炸方式是相同的,而且具有極高的亮度,所以能夠用來測量極遠處的星系與地球之間的距離和遠離地球的速率。科學家們正在不斷收集1A型超新星的觀測數據,借此尋找宇宙受引力影響的起點。


  當科學家發現一顆1A型超新星,就會對它的紅移水平進行測量。紅移的程度越高,說明越接近宇宙大爆炸的初始階段。科學家們用它與地球之間的距離與它的表面亮度進行對比,發現這些超新星的實際亮度與理論亮度存在差異,看起來要暗一些,這說明它發出的光是穿過了極遠的距離才到達地球的。


  通過這些研究,科學家們得出結論,認為宇宙目前的膨脹速度,比宇宙大爆炸發生不久之后的膨脹速度要快。宇宙之所以具有今天這樣大的規模,說明膨脹速率在提高。

  我們雖然已經知道宇宙中占絕大多數的是暗能量,但是對這種暗能量還沒有足夠的了解。想要解決這個問題,可能還要求助于愛因斯坦的理論,也就是宇宙常數。

  愛因斯坦認為,宇宙中不但存在引力,同時還存在斥力。暗能量好比沸騰的水表面的氣泡,隨機地憑空出現又消失。暗能量似乎能夠從真空中突然出現,引發一些突如其來的能量大爆炸。宇宙本身就起源于這種爆炸,在宇宙誕生一段時間之后,這些隨機產生的爆炸帶來的壓力促使宇宙向外膨脹。宇宙的規模越大,其中的暗能量數量就越大,這就使得宇宙的膨脹速度越來越快。


  還有一種理論,試圖用第五元素的概念來解釋暗能量。第五元素雖然十分接近于真空,但是隨著時間的推移,這種元素會發生變化。關于暗能量的理論還有很多,其中的一種理論將暗能量與暗物質歸結到一起,提出了暗流體的概念。這一理論在極大程度上改變了引力的作用機制。另一種理論認為,暗能量雖然現在的表現形式為斥力,但是可能會在未來轉變為引力。

  到那時,宇宙會在這種引力作用下停止膨脹,并且開始向內收縮,最終坍塌。宇宙中的所有物質將會擠成一團,縮小到和質子一樣大。


  還有一些科學家認為,通過對1A型超新星研究得到的紅移結果,并不能作為宇宙正在加速膨脹的證據。這種極大尺度的觀測和計算,可能受到很多不確定因素的影響。從哥白尼創立了日心說,證明地球是圍繞太陽旋轉的一顆普通行星開始,科學家們就認為,人類的生存環境在宇宙中是普通、常見的。所以,科學家們同樣認為,從地球觀察到的宇宙是普適的,在宇宙的其他地方能夠看到的現象,與我們能夠看到的一樣。


  根據這個理念,我們對宇宙的結構做出了推斷。因為觀測到了遙遠空間射向地球的光的溫度均勻,結合宇宙的膨脹現象,我們就推斷宇宙的膨脹是均勻的。這一理論通過觀察到的均勻分布的星系和形體團得到了進一步證明。但是是否存在一種可能,那就是盡管人類已經觀測到了相當大的宇宙空間,但是從宇宙的尺度上來說,這些只是極小的一部分呢?好比一只昆蟲在平原上極目遠眺,所見之處盡是平坦的土地,但是它并不知道,其他地方還有海洋和高山。


  在我們所處的這個宇宙之外,可能存在其他宇宙。這些宇宙的分布是不均勻的,呈泡狀結構。如果地球位于一個泡狀宇宙的中心地帶,那么在地球上對宇宙進行觀察時,泡狀宇宙邊緣的超新星看起來就是加速遠離地球的。但是到目前為止,人們還沒有發現相關的證據。主流觀點仍然認為,宇宙是在加速膨脹的。研究人員通過對深空星系的觀察和測量,進一步證明了這一觀點。還有一個證據是,科學家在計算出了星系的總引力后能夠得出星系坍縮的速度,但是事實上星系并沒有發生坍縮,這說明星系中存在一股很大的斥力,也就是說仍然受到暗能量的作用。


暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?44 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584

  暗能量是現代宇宙學的一個重要發現。但是從宇宙的長遠發展來看,在很久以后,可能人類再也無法感受到暗能量在宇宙中的存在了。目前,銀河系與室女座超星系團仍然有著相當遠的距離,但是終有一天銀河系將被拉扯進這個星系團里。到了那時,銀河系與其他星系會合并為更大的超級星系。如果宇宙仍然在加速向外膨脹,那么現在天幕上能夠觀測到的眾多星系與星系團將以光速消失。到了那時,因為沒有了觀測依據,人類將不會獲得更多關于時空演變的知識,也不會有比現在更寬廣的科學視野。現在,科學家們從宇宙中一點點地搜集光子,想要獲得關于宇宙中的暗能量的更多信息,但是這些神秘的物質正在離我們遠去。


  二、暗物質的組成和分布


  1932年,來自美國加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基最早提出了有關暗物質的證據,并且認定了暗物質是真實存在的。他在對螺旋星系的旋轉速度進行觀測時,發現星系旋臂的外側比預期的旋轉速度要快,所以他認為,在星系外側一定有一個巨大的質能。正是因為這一質能的存在,才讓星系外側的物質能夠在強大的離心力作用下仍然沒有離開星系。他發現,這些星系團中的星系運動速度是如此之快,如果在星系團外部沒有一個力約束著它,那么它的質量需要達到目前通過觀測計算出的數值的100倍,才有可能通過自身的引力來束縛住自己。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?35 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584

  起初,暗物質僅僅作為一個猜想被提出,但是在接下來的幾十年里,科學家們通過數據和事實證明了暗物質的確存在。到了20世紀80年代,雖然人們仍然不了解暗物質的性質,但是已經能夠基本認定,宇宙中的暗物質大約占宇宙總能量密度的20%。


  關于暗物質是否存在,科學家們直到1978年才通過測量物質繞著星系的運行速度提出可信的證據。我們在計算太陽的質量時,是通過日地距離以及地球圍繞太陽進行公轉的速度來測算的。按照這一方法,如果我們知道了一個物體距離星系中心的距離,并且知道它圍繞星系運轉的速度,就能計算出整個星系的質量。在使用這樣的方法進行計算時,得出的星系質量比我們能夠觀測的星系中所有星體的總質量要大得多。


  盡管科學家們對暗物質進行了許多觀測,但是直到2011年,人們還是無法了解它的全部成分。關于暗物質的早期理論主要認為暗物質就是無法觀測到的一般物質,比如生命走到盡頭的恒星以及黑洞等。這些星體通常屬于大質量致密天體,但是直到現在,人們仍然沒有找到足夠多的這種天體來解釋暗物質造成的影響。


  在很長一段時間里,只存在于假說中的基本暗性粒子被認為是最有可能的暗物質粒子。這種粒子的壽命很長,而且具有溫度低和無碰撞等特性。由于這種粒子的溫度很低,所以在脫耦時屬于非相對論粒子,并且能夠在引力的作用下迅速結合在一起。它們的壽命與當今宇宙的年齡一樣,或者比宇宙的年齡更大。


  因為這些粒子是在一個比哈勃視界還要小的范圍內開始結合的,因此與整個宇宙的尺度相比,這個范圍顯得非常小。最先形成的暗物質聚集體或者暗暈與銀河系相比要小得多,而且質量也更小。宇宙開始向外膨脹,哈勃視界也隨之增大,早期的暗物質聚合體會漸漸合并成更大的規模,這些尺度較大的結構經過互相合并,變得越來越大。這樣造成的結果是形成各種形狀的暗物質聚合體,具有不同的質量,與觀測保持一致。


  但是對相對論粒子來說,發生的情況正好相反。比如中微子在引力作用下結合成一團時,因為本身具有過快的速度,因此不能組成我們觀測到的結構。從這一點來看,中微子對暗物質密度的形成起到的作用可以忽略不計。對太陽的中微子質量測量得出的結果與這個結論是一致的。


  暗物質粒子的無碰撞特性是指暗物質之間或暗物質與普通物質之間存在的相互作用十分微小,甚至可以被忽略。它們單純靠引力把彼此約束在身邊,在整個暗物質暈中做軌道運動,該軌道很寬并且具有很小的偏心率。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?61 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584


  英國科學家里斯認為,暗物質有幾種可能的存在方式。一種可能是之前提到過的小質量的恒星;一種可能是超大質量恒星在很久之前坍縮形成的相當于太陽質量200萬倍的超大黑洞;還有一種可能是一些特殊的粒子,比如我們提到過的中微子、軸子,以及其他一些科學家們認為可能存在的粒子。


  粒子物理學家伊利斯認為,星系團和矮星系的暗物質暈中的暗物質最有可能的組成部分是S粒子。這種粒子來自超對稱理論,該理論稱,所有粒子的基本粒子都存在和它對應的粒子,比如光子對應著光微子。伊利斯認為組成暗物質的粒子可能是光微子、中微子、希格斯微子和引力粒子。同時科學家也認為,這些粒子可能組成了星系團之間的廣袤空間中的冷暗物質。暗物質之間也存在引力,星系團中的數十億顆恒星就是在暗物質的引力作用下形成了各個星系。


  到目前為止,人類能夠在實驗室環境中發現的唯一的暗物質粒子就是中微子,這種粒子的質量幾乎為零,而且在全部暗物質中占的比例非常小。科學家們認為,余下的大多數暗物質粒子是由大質量弱相互作用粒子構成的,這些粒子比質子的能量大10~1000倍。當兩個暗物質粒子相撞時,就會發生湮滅現象,并釋放出γ射線。


  當一個星體的生命發展到某個階段時,溫度開始降低,無法向外釋放能夠被觀測到的能量信號,所以不能被人類觀測到,這時就表現為暗物質。這些暗物質也被稱作重子物質。還有一種暗物質,是由中性穩定粒子構成的,它們具有靜止質量。這種粒子形成的星體無法向外釋放電磁信號。這種暗物質就被稱為非重子物質。


  還有人認為低溫無碰撞物質是暗物質可能的組成部分。一個原因是,通過模型計算出的這種物質的結構與實際觀測的結果是一致的。另一個原因是,大質量弱相互作用粒子能夠對這些物質在宇宙中的豐度做出合理的解釋。當粒子間具有弱相互作用時,宇宙誕生的最初一瞬間,這些粒子之間會形成熱平衡。在這之后,它們彼此碰撞并發生湮滅,平衡被打破了。通過對離子間相互作用的截面來計算,這些物質在宇宙占全部能量密度的20%~30%,這一結果與觀測事實是相符的。


  還有一個原因是,在低溫無碰撞物質的理論中,預測了一些有很大可能組成暗物質的其他粒子。還有一種可能組成暗物質的粒子是中性子。這是一種通過超對稱模型得出的粒子。這一理論是超引力和超弦理論的基礎,在這個理論中,每個已知的費米子都需要和一個玻色子伴隨存在,同時,每一個玻色子也伴隨著一個費米子。如果宇宙從誕生之日就保持著超對稱的形態,那么這些伴隨粒子也將保持相同的質量不變。但是,宇宙在早期發展過程中不再保持超對稱,導致伴隨粒子的質量發生了改變。


  而且絕大多數超對稱的伴隨粒子十分不穩定,當宇宙的形態發生變化之后就隨之衰變。但是,其中質量最小的伴隨粒子沒有發生衰變。在最基本的理論模型中,這些粒子表現為電中性,并且彼此之間呈弱相互作用。所以這種粒子也有很大的可能是大質量弱相互作用粒子。


  如果中性子組成了暗物質,那么當地球穿過太陽系中的暗物質時,位于地表以下的探測器能夠搜尋到這種粒子。還有一點需要注意的是,這個探測結果無法證明大質量弱相互作用粒子就是暗物質的主要組成部分,在目前的實驗環境中無法確定這些粒子在暗物質中所占的比重是大還是小。


  另外一種可能構成暗物質的粒子是軸子。這是一種中性粒子,質量非常小。在宇宙的大統一理論中,軸子起到了十分關鍵的作用。在兩個軸子之間,存在十分微弱的相互作用力,所以軸子無法保持熱平衡,并且無法對它在宇宙中的豐度進行合理的解釋。宇宙中的軸子處在低溫玻色子凝聚狀態。目前,科學家們已經建造了用來探測軸子的探測器,研究工作正在展開。

  一些科學家開展了一項名為“低溫暗物質搜尋計劃”的科研項目,旨在發現低溫暗物質粒子。來自美國明尼蘇達大學的科學家安吉拉·雷塞特爾參加了這項研究,她認為,我們周圍有一股暗物質粒子,時刻都在發生著相互作用。雷塞特爾在最新發表的論文中說,她和她的團隊成員在最近的實驗中發現了兩起事件,可能是暗物質對探測器撞擊造成的。

  但是目前科學家們尚無法確定這兩起事件中觀測到的信號是由什么粒子造成的,可能是暗物質粒子也可能是其他粒子,因為這兩個信號實在是太小了。據參與研究的科學家說,他們實現建立的模型對這種情況有準確的預測,認為可能會出現疑似暗物質的假信號。這個“低溫暗物質搜尋計劃”在未來將繼續進行,希望能夠發現更多有實際意義的事件和信號。

  還有一些科學家通過粒子加速器來嘗試在地球上搜尋暗物質。利用強大的粒子加速器,我們能夠把粒子加速到接近光速,并讓它們彼此碰撞。通過這樣的高速對撞,科學家渴望找到新的粒子,比如暗物質粒子。


  但是,即便科學家們已經使用功能最強大的粒子加速器來進行實驗,到目前為止也沒有發現更多暗物質存在的跡象。人們可能會追問造成這一現象的原因,在宇宙中占據大多數的物質為什么無法被觀測到?美國科學家薩拉表示,可能是因為人類目前為止制造的加速器仍然不夠強大。因為科學家們不能確定暗物質的粒子到底有怎樣的體積和密度,需要使用多大的能量才足以觀測到它們的痕跡。也許,利用加速器無法發現暗物質。薩拉認為,可能科學家并未意識到一個殘酷的事實,那就是我們無法人為地制造或者觀測到暗物質粒子。


  到2006年初,人類對暗物質的研究取得了新的進展。劍橋大學天文研究所的科學家們有史以來第一次確定了一些暗物質的物理性質。同一年,美國科學家在使用錢德拉X射線望遠鏡觀測一個星系團時,意外地觀測到了兩個星系發生碰撞的過程。這樣的大規模碰撞具有強大的威力,把普通的宇宙物質與暗物質撞開了,借此我們能夠直接觀測到暗物質,這為暗物質的存在提供了直接證據。


  2007年,科學家公布了史上第一份暗物質分布圖。70多名研究人員歷經4年的不懈努力,終于制作出了一幅三維圖像。在這份圖中,科學家們描繪了以地球的視角出發觀察天空時,8個滿月在天空所占空域范圍內的暗物質分布輪廓。科學家們使用引力透鏡的原理繪制出了這張圖。一位來自馬賽天文物理實驗室的科學家也參加了暗物質分布圖的研究和制作,據他說,這張圖表現出的圖景在過去的25億年間基本沒有發生過改變,能夠認為這片宇宙中的暗物質就呈現出這樣的形態。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?30 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584


  2007年,約翰斯·霍普金斯大學的天文學家們在《天體物理學雜志》上發表文章,稱他們在用哈勃望遠鏡進行觀測時,在距離地球相當遙遠的星系團中發現了形成環狀的暗物質。科學家們認為,這一結果是目前能夠確定暗物質真實存在的最關鍵的證據。參與了這項研究的天文學家詹姆斯·杰認為,這是有史以來第一次直接觀測到這種環狀分布的暗物質,它與這個星系團內部的其他物質具有完全不同的結構。這個結果能夠讓天文學家們更好地認識普通物質與暗物質之間存在的區別,以及研究引力對暗物質能夠造成怎樣的影響。


  科學家們于2009年在位于美國明尼蘇達州的Souden煤礦里發現了暗物質。這一發現是暗物質最有力的實物證據。同時,其他科學家們也在通過實驗來搜尋暗物質留下的痕跡。當暗物質之間發生碰撞時,能夠被觀測到,粒子的碰撞能夠發出γ射線,這一現象被稱為物質湮滅。美國的費米太空望遠鏡就是旨在通過這一現象來觀測暗物質的,但是到目前為止還沒有發現。
  意大利科學家在暗物質的研究方面也進行了一些探索。2011年,他們對暗物質的研究與其他類似的研究發生了矛盾。探測結果表明,距離銀河系大約16萬光年的大麥哲倫星系可能正是由于暗物質的幫助,才沒有被銀河系的引力撕碎。


  到了2013年,對暗物質和暗能量的探尋以及對宇宙的起源和進化的研究,成了21世紀的天文學和物理學的發展方向。華裔物理學家、諾貝爾獎獲得者李政道博士曾經說過,對于20世紀末和21世紀初的物理學界來說,暗物質是一團最大的疑云,對它的研究代表著物理學將發生一次新的革命。


  2013年4月3日,日內瓦的歐洲核子研究中心傳出了關于暗物質的好消息。諾貝爾獎獲得者丁肇中教授宣布,他帶領的科學家團隊在經過長達18年的研究后產生了第一個實驗結果,這將是人類在探尋暗物質道路上的一個重要里程碑。利用阿爾法磁譜儀,丁肇中團隊發現了40萬個正電子。正電子是一種反物質,它和暗物質是有區別的。但是這些正電子有可能來自同一個地方,那就是脈沖星或者是暗物質。這個實驗結果讓人類對物理學和天文學有了全新的認識和理解,讓人們對這個研究項目的下一個結果有了更多的期待,因為這一結果可能會確定暗物質的真實存在。


  半個月之后,美國物理學會發表研究報告,表示他們通過實驗發現了大質量弱相互作用粒子的較強信號,這意味著他們可能發現了暗物質,概率達到99.8%。一年之后的4月18日,來自中國的丁肇中團隊在日內瓦召開了成果發布會,公布了最新研究成果,認為暗物質可能是宇宙射線中存在的大量正電子的來源。在之前的研究中,科學家們認為暗物質具有6個特征,而這一實驗結果已經確認了其中的5個。


  在距離地球38億光年的地方,有一個被稱作子彈星系團的暗物質星系團。科學家們可以通過對這個星系團的研究來分析暗物質對其他物質造成的不可見的影響。這個子彈星系團是兩個星系團發生碰撞造成的結果,普通的宇宙物質在碰撞中損失了能量,運動的速度變得緩慢。但是與此同時,暗物質之間彼此穿過,產生的相互作用幾乎可以忽略不計。
  科學家們利用大視場太空望遠鏡,能夠發現亮度低于14星等的矮星,這些矮星的質量還不到太陽的一半。根據太陽在銀河系中的位置,我們能夠計算出這些M型矮星的數量,進而得出這些矮星的質量能夠達到銀河系尚未被觀測到的質量的一半。而且因為這些矮星能夠持續發光幾萬年,所以科學家們推測,銀河系中有很多類似的恒星在生命結束后留下無法被觀測到的殘骸,它們的質量就相當于理論上計算出的暗物質的質量。


  美國的一些科學家應用了一種最新的理論,認為在地球與月球之間存在著大量未知的暗物質。這種理論能夠解釋一些航天器的異常現象。人類發射的太空探測器脫離地球軌道進入太空的加速過程中,幾乎所有的探測器都發生過一些怪異的現象,如飛行的速率會無端發生變化。按照萬有引力定律,這些現象是不應該發生的。一些科學家就此推測,這些異常現象代表著我們現在掌握的物理定律是存在問題的,萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對論都有缺陷。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?48 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584


  德國科學家約爾格·迪特里希和他的團隊在一個名為“阿伯爾222/223”的超級星系團中發現了暗物質成分。這個星系團距離地球27億光年,其中的絲狀物中含有暗物質。絲狀物的引力讓光產生了偏移,利用這種偏移,迪特里希團隊的科學家計算出了星系團中的絲狀物具有的質量。由普通物質發出的X射線能夠得出,這些物質組成了這些絲狀物的一部分,但是只占其中10%的質量。余下的大部分物質,有極大的可能性是暗物質。迪特里希認為,這些絲狀物構成了宇宙中的暗物質網絡,將星系團彼此連接在一起。


  當今流行的暗物質理論認為,暗物質或許是一種大質量弱相互作用粒子,這些粒子的質量比組成普通物質的粒子質量更大。并且因為它們無法參與電磁力作用,所以運動的速度很慢。這些大質量弱相互作用粒子可能存在一些反粒子。當兩個這樣的粒子發生碰撞時,就會發生湮滅現象,并且釋放出γ射線。這個理論能夠解釋為什么銀河的核心地區發出了令人出乎意料的γ射線。美國宇航局的費米太空望遠鏡發現了這一現象。費米太空望遠鏡屬于美國宇航局,是一臺γ射線望遠鏡,主要被用來觀測銀河系中的高能粒子活躍區。美國科學家霍普和他的團隊在使用費米太空望遠鏡對銀河系中心進行觀測時,發現了一些高能死亡信號。



 霍普團隊是在分析了費米望遠鏡兩年多的觀測數據之后發現這些信號的,這些信號由一些暗物質粒子的碰撞產生。發生碰撞的暗物質粒子的質量大約是質子的9倍。霍普認為,這些粒子的質量比科學家們之前推測的結果要輕,但是人們同樣認為,這些暗物質粒子的質量不是固定的,而是在一個范圍內存在區別。這些信號是從銀河系中心的一個直徑約為100光年的區域發出的,這里被霍普認為是暗物質的理想聚集地,所以受到了嚴密的關注。在銀河系的這個區域中的暗物質密度比邊緣地帶的暗物質密度大10萬倍。

  所以我們也可以這樣認為:銀河系的中心存在大量暗物質,它們彼此相撞,并釋放出能量。盡管美國費米實驗室的科學家克雷格·霍甘并未參加這個研究項目,但是他依然感到十分興奮。他認為,這項研究開創了歷史,第一個利用簡單的粒子模型把與暗物質有關的證據都聯系在了一起。盡管還沒有取得足夠的數據,但是仍然值得我們深入研究。


  邁克爾·特納是來自芝加哥大學的科學家,他是暗物質研究領域的專家。他認為,相干鍺中微子技術等深埋地下的探測器可能為霍普的研究提供一定的幫助。在霍普開展研究的同時,還有其他一些暗物質的實驗也在同步進行,而且都很有希望取得成果。特納表示,目前是研究暗物質的黃金時期,所有的探測器都在進行正確的觀測,相信科學家即將解決關于暗物質的很多疑問。他還表示,對大質量弱相互作用粒子的研究將成為物理學發展的未來。通過利用大型粒子對撞機來批量制造大質量弱相互作用粒子,我們將逐漸弄清楚暗物質的真面目。


  科學家們使用大口徑天文望遠鏡對一些矮星系進行研究后,通過對觀測結果進行分析,證明在這些矮星系外有很多大質量暗暈。科學家們通過大量的觀測和多達7000次的計算得出結論,這些矮星系具有的暗物質質量相當于普通物質的400多倍。除此之外,我們還能夠發現,星系中的粒子都在進行高速運動,且溫度很高,能夠達到10000攝氏度。科學家們還發現,普通物質與暗物質之間存在著很大的差別。


  盡管這些物質具有很高的溫度,但是奇怪的是這樣的高溫并沒有帶來輻射。據這一研究的領導者杰里·吉爾莫推測,暗物質可能并非由質子和中子組成。在這之前,科學家們曾經認為組成暗物質的粒子運動速度十分緩慢,而且這些粒子的溫度不高。


  科學家們表示,通過對暗物質的觀測和研究,他們發現宇宙中最小的暗物質聚集體也有1000光年的規模,這樣一個暗物質片段能夠達到太陽質量的30倍之多。科學家們還提出了暗物質的密度假設,如果說地球上每立方厘米空間內有1000多個粒子,那么同樣的空間能容納的暗物質粒子只是這一數量的三分之一左右。研究表明,在宇宙中,一些暗物質和它們相鄰的星系有著密切的關系。這些星系通常只有少量恒星,但是整個星系的質量卻遠大于其中的恒星的質量。


  但是在更小的尺度上,不一致的情況就出現了。這種情況在幾年前已經開始顯現,并且因為這種不一致,讓一些科學家提出了質疑,他們認為現行的理論可能存在錯誤。多數科學家認為,這種不一致可能是因為我們對暗物質提出了不正確的假設,但是理論的模型本身可能并沒有錯誤。


  因為從大尺度上來說,引力是最主要的因素,所有的計算都是在萬有引力定律和廣義相對論的范疇內進行的。但是當尺度變小時,計算中就必須包含高溫高密物質的流體力學。而且,在一個大的尺度上,具有微小的漲落幅度,我們能夠精確地計算出這些漲落。


  但是當尺度縮小到星系的范圍時,普通物質與輻射之間有相當復雜的作用。這些星系中的暗暈的數量與質量是成反比的,所以我們應該能夠看到由于這些暗物質暈的影響而造成的引力透鏡效果。但是在實際觀測中,我們沒有發現這種現象。而且在其他星系中,圍繞星系的暗物質與星系合并在一起之后,會讓本來較薄的星系盤增厚。


  在星系的核心區,暗物質暈的密度應該出現大幅的增長,就是說,離星系的中心越近,暗物質的密度上升得越劇烈,但是這和我們實際觀測到的很多星系的中心區發生的情況并不相符。
  科學家們在引力透鏡的相關研究中發現,星系團中心的密度比根據大質量暗物質模型計算得出的結果要低。在普通的螺旋星系中,中心區的暗物質密度要比之前預估的更小。在一些表面亮度較低的星系中,也存在著類似的情況。根據流體力學模擬的星系盤,它的尺度與實際觀測的結果相比要小得多。很多表面亮度較高的星系中都存在棒狀結構,要想保持這個結構的穩定,那么星系的核心密度就要比通過模型得出的值更小。


  三、何為反物質反物質


  在物理學上的定義,是指由具有負電荷的原子核構成的物質。反質子和反中子共同組成反原子核。這些反原子核與帶正電的正電子組成了反原子,這些反原子形成的物質,就是反物質。
  盡管各種物質在自然界中存在著各式各樣的表現形式,但是從微觀的角度觀察,實際上都是由質子、中子和電子組成的。這些構成一切物質的基礎就被稱為基本粒子,意思是說世間萬物都是由這些粒子構成的。


  通常來說電子都是帶負電的,但是早在20世紀30年代,就有科學家發現了帶正電的電子。人們從這時開始對反物質有了初步的了解。到20世紀50年代,人們又相繼發現了反質子和反中子,并且意識到,所有常見的基本粒子都存在一個與之相對應的反粒子。


  反物質的性質與普通物質呈相反狀態。當物質和反物質相撞,就會發生湮滅并且相互抵消。這個過程會產生巨大的能量,比氫彈釋放能量的效率還要大。美國科學家使用大型原子對撞機進行了實驗,通過對金原子進行對撞,得到了反氦原子。這個反原子是由反質子和反中子組成的。

  宇宙中存在反物質這一事實,在很長時間里為科幻題材作家提供了豐富的想象空間。因為反物質能夠與物質相撞并發出巨大的能量,因此科幻作家認為,反物質能夠成為我們離開太陽系,進行星際旅行的上佳燃料。在傳統的航天領域,為了擺脫地球的引力進入太空,航天器需要大量的化學燃料。

  以航天飛機為例,每次發射都要耗費相當于航天飛機自身重量15倍的燃料。但是如果能夠利用反物質與物質碰撞發生湮滅產生的能量來推進,那么一枚硬幣大小的反物質,就足以將航天飛機送入近地軌道了。

  因為我們所處的世界是由物質組成的,所以即便自然界中存在反物質,也非常容易和物質相遇并且湮滅。所以為了能夠更好地研究反物質,科學家們需要在實驗環境中制造出反物質粒子,并且盡可能讓這些粒子停留的時間長一些,以便能夠研究其特性。

  早在1925年,人們就已經發現在同一個狀態里只能存在一個電子,也就是泡利不相容原理。根據這一原理,如果電子的負能級已經被填滿,那么正能級的電子就不會與之發生沖突了。同時,如果想要對實驗中沒有觀察到負能電子的現象進行合理的解釋,就要假設占滿了負能級的電子造成的總效果是零。


  也就是說,這個電子的海洋里所有能夠被觀察到的量的數值都是零,無論是質量還是動量都是如此,就像真空狀態一樣。根據這一假設能夠得出一個有趣的推論,如果這個充滿電子的負能級區域是真空狀態,那么如果失去一個電子,就等同于出現了一個反電子。這個反電子具有與電子完全相反的特性,電子是帶負電的,反電子就是帶正電的。


  如果一個粒子帶有正能量,那么在運動時與別的粒子相撞后,運動速度會減慢。但是如果一個粒子帶有負能量,那么它的運動速度會逐漸加快,甚至超過光速。但是,我們是通過與負能量粒子的反向運動來對負質量物質進行觀測的,這種運動是帶有正質量的反物質的運動,所以速度仍然比光速要低。物質具有負質量時,其表現形式為反物質,反物質與負質量物質的運動方向是相反的。也可以說,負質量物質在時間維度的反演就是反物質。因為時間是一維的,當它反演時,方向也會相反,這時負質量會轉變為正質量。


  根據已知的物理定律,兩個具有正質量的粒子之間存在萬有引力,所以我們可以認為,在分別具有正質量和負質量的兩個粒子之間存在斥力。因為帶有正質量的物質互相吸引,導致物體收縮,并且具有復雜的結構。但是負質量物質和正質量物質之間互相排斥,導致了膨脹。宇宙現在正處于一個膨脹的過程中,這說明宇宙中帶負質量的物質數量多于正質量物質。雖然我們只能觀測到負質量物質的反演,也就是反物質,并且我們無法直接觀測到斥力。但是我們知道宇宙正在膨脹,這就說明了物質之間的斥力是確實存在的。
  很多年來,雖然科學家們從理論上確定了反物質的存在,但是發現它只是最近幾十年的事情。科學家們首先是通過宇宙中存在的高能粒子——γ射線,在銀河系的上方發現了一些反物質的痕跡,后來又通過實驗批量制造出了反物質粒子。這說明人類在研究反物質的道路上正在逐步深入,并取得了重大的進展。


暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?16 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584


  1997年,美國科學家利用發射到太空的γ射線探測衛星發現了一個反物質源,該反物質源位于銀河系上方,正在向外源源不斷地釋放出反物質。這些反物質形成了一個“噴泉”,噴涌的高度達到2940光年。美國的奮進號航天飛機在執行一次太空任務時,在國際空間站上安裝了一個專門用于收集反物質粒子的科學儀器——阿爾法磁譜儀。這個磁譜儀能夠記錄下反物質粒子對它的撞擊,并且進行分析。


  科學家們認為,如果能夠在宇宙中找到原子量較大的元素,如反碳等,就意味著可能存在由反物質組成的天體甚至恒星。物質與反物質之間是否存在對稱性,也能通過這一發現加以證明。事實證明,較重的反物質粒子是存在的。


  2000年,歐洲核子研究中心再次發布消息,稱他們在實驗室中已經制造出了大約5萬個反氫原子。這一成果標志著人類具有了大批量制造反物質的能力。我們如果認為宇宙中的物質和反物質的數量是相等的,那么在宇宙空間中應該存在大規模的反星系區。在那些區域中,宇宙射線是由反質子與反α粒子組成的。
  來自那片宇宙空間的射線會進入我們的正物質星系。因為宇宙空間是十分稀薄的,很多地方都很空曠,每立方米可能只有一個質子這樣大的密度,所以反物質粒子能夠暢通無阻地進行長距離旅行。如此一來,通過位于地球軌道上的太空探測器就能捕捉到它們。之前發射的阿爾法磁譜儀就是根據這一理念設計建造的。


  在實際觀測中,不只是能夠捕捉到原始射線粒子,還能夠探測到一些次級粒子。這些次級粒子是原始粒子在旅途中與其他粒子發生碰撞而產生的。我們在宇宙中發現反質子,并不一定表明在宇宙深處存在反物質區域,因為這些反質子可能是原始粒子造成的次級粒子。但是反原子核就不同了,因為它是由一系列反核子組成的復雜結構,所以無法通過碰撞產生。
  如果我們能夠在宇宙中發現反α粒子,哪怕只有一個,也能證明遠方存在反物質天體。阿爾法磁譜儀十分敏感且精確,如果反α粒子進入了磁譜儀,就能夠被分辨出來,并且能夠測定它的質量和所帶的電荷。2011年,新的阿爾法磁譜儀進入了太空軌道,并且源源不斷地把探測結果傳回地球,科學家們正隨時對這些結果保持著關注。


  如果我們能夠通過阿爾法磁譜儀的觀測結果證明宇宙中真的存在大型反物質天體,那么這一結果必定會被載入史冊。因為它不僅能夠證實反物質的存在,而且還將對已知的物理學理論提出挑戰。在宇宙誕生的初期,正反粒子一定是彼此混合在一起的。在今天我們掌握的物理理論中,還不存在一種作用力能夠將兩種粒子徹底分開。所以,如果我們能夠證明存在大型的被分離出去的反物質天體,那么物理學理論將會發生新的突破。


  我們通過大量的事實能夠確定,人類所處的空間的基本組成是物質,而非反物質。


  同樣的,在人類已經能夠探索的宇宙空間中的宇宙射線,也是物質的。這可以由一系列證據佐證:人類目前為止發射的所有航天器都沒有發生湮滅,阿波羅登月計劃的成員們也可以登上月球并安全返回。太空探測器最遠的已經到達太陽系的邊界,到目前為止,人類在太陽系中尚未發現任何由反物質構成的天體。范圍擴大到整個銀河系,其根本屬性仍然是物質。


  在河外星系中,如果存在由反物質構成的星系或天體,那么從地球上應該也能夠觀察到物質與反物質相互作用時釋放出的γ射線。從這一點可以推斷出,如果宇宙中有大量反物質存在,那么它們和物質產生的湮滅現象應該能夠達到相當大的規模。這種湮滅會造成宇宙中物質的大量消失。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?56 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584



  在中國西藏的羊八井地區,中國和意大利正在共同建造一個粒子探測陣列實驗站。該實驗站為地毯式,面積達1萬平方米,能夠接收來自宇宙空間的各種高能射線,還可以搜尋反物質粒子。


  之前,中意科學家已經在該地區聯合設置了一些箱式探測器,并且已經接收到了正電子和μ子等高能粒子。本次新建的探測陣列由平面探測器組成,像地毯一樣鋪設在地面上。
  這樣的探測陣列擁有更大的面積,而且探測器之間緊密結合,能夠更好地接收宇宙射線,避免了信息損失。這一工作從鋪設到調試完備需要花費兩年的時間,建成后將成為世界上海拔最高的實驗站。


  人類想要獲得太陽系之外的物質標本,唯一的來源就是來自宇宙的高能射線。科學家們從很久以前就開始對宇宙射線進行研究。宇宙大爆炸的理論被提出之后,科學家們又開始試圖從這些高能射線中尋找反物質的蹤跡。但是到目前為止,這些對反物質的搜尋工作還沒有取得成果。


  在奮進號將阿爾法磁譜儀送入太空的同時,在地球上,科學家們也在實驗室環境中努力尋找著反物質粒子。在歐洲核子研究中心,科學家們通過大型粒子對撞機來對粒子進行加速,能夠成功地“制造”出反物質粒子,并且能夠使之停留一段時間,以便開展研究。歐洲核子研究中心使用的大型強子對撞機,是當今世界能量最大的粒子對撞機。
  這臺設備就是為了通過高能粒子來研究宇宙起源而建造的,目的是發現和解釋當今物理學中可能存在但是還沒有被證實的一些現象。


  這是一臺特殊的設備,能夠使反粒子的運行速度變慢。科學家利用強磁場,成功地束縛住了反質子,并且利用它來制造反氫原子。


  當磁場消失時,反氫原子失去束縛,就會與裝置內壁發生碰撞并解體。利用這種強磁場,科學家能將反物質粒子束縛住1000秒,雖然這個時間在日常生活中微不足道,但是在原子尺度,它幾乎就等同于原子的一生。接下來,科學家們將利用激光或微波對反物質粒子進行照射,以對它的內部結構進行分析,并且研究它和物質粒子的反應有何不同。


  質子位于原子核的中心部分,電子圍繞著質子旋轉,二者組成原子。科學家們利用激光束對反質子進行照射,來測算它的質量,比較它與一般質子的異同。目前,科學家們對質子質量的測量已經可以精確到小數點后9位,在這個尺度上,質子與反質子的質量仍然是相同的。從這一點上來說,質子與反質子即便存在一定程度上的區別,這種區別也是極小的。或許,正是這些極其微小的差異,造成了組成世界的基礎是物質而不是反物質。


  參與這項研究的科學家羅布·湯普森教授認為,所有研究人員都付出了不懈的努力。盡管此次實驗發現的反物質粒子數量很少,只是反物質世界的冰山一角。但是這個發現仍然意義重大,因為這代表了人類對反物質研究的突破,能夠使我們在未來更好地了解宇宙,進一步探尋宇宙的起源。


暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?39 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584



  對于這項研究成果,英國物理學家查爾頓教授發表了自己的看法。他認為,我們現在必須對反物質加以了解。因為我們認知的宇宙中全是普通物質,但是我們還要弄清楚宇宙的真實面貌,否則可能處于危險中而自己卻毫無察覺。在宇宙中,氫元素是最重要的元素,因此能夠發現反氫原子,意義十分重大。氫原子是結構最簡單的原子,由一個質子和一個電子組成。


  我們之前提到,歐洲核子研究中心在1995年就已經成功制造出反氫原子。但是那時的技術水平有限,這些反物質粒子能夠存在的時間只有幾微秒,之后就和周圍的氫原子相撞并湮滅了。這一次,科學家們在得到了反氫原子之后,利用磁場技術,成功地讓這些粒子停留了一段時間。在這段時間里,科學家們能夠對反氫原子進行更加深入的研究。這個研究成果能夠帶動整個反物質領域的研究向前發展,是物理學領域的重大突破。


  2011年5月,中國科學家宣布,他們和美國科學家在一個合作研究項目中制造出了反氦4,這是人類到目前為止發現的質量最大的反物質粒子。同年6月,歐洲核子研究中心又傳出了好消息,科學家在這里將反氫原子維持的時間提高到了超過15分鐘。在自然界中,存在著反物質的能動效應。中國的上海光機所利用激光裝置和高壓氣體靶共同作用,利用它們生成的大量高能電子與高分子材料相互作用,并且產生高強度的γ射線。這些γ射線繼續與原子核發生作用,形成正負電子對。科學家利用正負電子在磁場中具有不同偏轉的特性,成功地在實驗中獲得了正電子。


  在對反物質的研究上,科學家們正在不斷加大投入,建造更為精密和有效的科學實驗裝置。在歐洲核子研究中心,有一臺大型強子對撞機。這臺對撞機的隧道有27千米長,科學家通過它對原子進行加速,使原子在超高速下進行高能撞擊。原子在這樣的高能撞擊下,會發射出大量的基本粒子。通過對這些粒子的觀測,科學家們正在尋找夸克級別的物質與反物質粒子的差異。

  對現代宇宙學來講,解釋物質與反物質的不對稱性,是一項十分重要的工作。對這個問題的研究會讓我們了解,在宇宙形成之初,究竟是哪種力量造成了物質和反物質的分離,進而形成了我們如今看到的世界。我們對反物質的研究還在繼續,很多未解之謎還等待著我們去揭曉答案。


  四、我們能利用反物質嗎


  在1898年,英國的一位物理學家就提出了所有物質都存在鏡像的理論,也就是反物質。那么對現有的天體和星系來說,有與之相反的鏡像宇宙嗎?受限于當時的科技水平,這個理論無法得到有效的驗證,也沒有任何實驗觀測依據。所以,宇宙中存在與現在的星系對應的反物質星系成了一個假說,只停留在理論層面上。



  到了1997年,一些科學家宣布在銀河系中心的上方發現了一個反物質噴泉。這一發現在整個物理學界造成了強烈的震動,科學家們再次燃起了尋找反物質的熱情。


  1998年,華裔物理學家丁肇中在全球范圍內發起了尋找反物質的號召,讓反物質研究領域再次成了全世界科學家們關注的對象。盡管很多科學家都認為反物質在自然界中是真實存在的,但是卻無法給出確實的證據。同時,也有很多科學家對反物質理論不以為然,美國科學家施拉姆就是其中之一。他表示,很多人憑直覺認定反物質并不存在,所以如果能夠發現反物質,這將會是一個偉大的成果,它能夠證明那些不相信這一理論的人是錯的;但是還有一種最大的可能,那就是根本就找不到。


  丁肇中認為,如果宇宙中真的存在反物質,那么這些反物質與普通物質相撞時,將會釋放出巨大的能量。他發起的尋找反物質與暗物質的行動已經開展了很多年,并且取得了一系列研究成果。但是他依然表現得十分謹慎。他曾表示,以歷史的發展歷程來看,人們需要做好準備面對一些出乎意料的事情。可能我們目前的所有發現,與想要研究的事情完全沒有關系。


  德國的一位地外物理學家喬治·維登斯波恩特和他的團隊舉行發布會,宣布他們有了一項新的研究成果。維登斯波恩特在發布會上說,如果一顆普通恒星在它的引力核心作用下被撕成兩半,就會被稱為低質量X射線雙星。科學家們經過計算,認為這樣的低質量X射線雙星每秒鐘能夠向宇宙空間釋放1041個正電子。


  在科學家們此前預測的反物質中,這些正電子所占的比重很大,所以基本能夠否定其他的關于反物質的不同理論。維登斯波恩特表示,在經過初步統計之后,他的團隊認為,反物質的一半甚至全部都來自X射線雙星。科學家們已經見到過反物質的消亡,現在他們渴望能夠見證反物質的“出生”。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?45 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584


  還有一位名為斯奇納的科學家也參加了這項研究,他認為,盡管目前我們無法確定是因為先有黑洞才產生了中子星與其他物質,還是因為先出現了中子星,后來才產生了黑洞,但是關于二者的討論是十分有趣的事情。而且我們現在無法準確地判斷出哪個X射線雙星中包含的是黑洞,哪個包含的又是中子星。


  反物質能夠在普通的物質中產生,這說明我們周圍就存在反物質。這些反物質可能存在于很多粒子之中。一種當今流行的夸克理論說,一個夸克和一個反夸克組成的束縛態形成了一個介子,夸克無法單獨存在,只能存在于其他粒子內部。有很多科學家對夸克理論不以為然,認為自然界中不存在真實的夸克。但是因為很多實驗結果都符合夸克理論做出的預言,所以在相當一部分科學家中,這一理論十分流行。


  反物質粒子和普通粒子相遇時,會馬上與粒子發生湮滅現象,并且立刻消失,同時生成能量,那就是γ射線。科學家們曾經設想過各種原因,來解釋為什么人類觀測到的宇宙中物質占絕大多數,是否存在一個由反物質組成的世界,以及對反物質怎樣加以利用等問題。根據科學家們的推測,在宇宙形成的早期,物質和反物質曾經共存,后來反物質出現了衰減,才逐漸形成了如今的不對稱現象。


  維登斯波恩特認為,所有的基本粒子都存在與自己對應的反粒子。反粒子與粒子的結構完全相同,只是具有的電荷是相反的。因為電荷相反,所以它們具有完全相反的性質。因為我們生活的空間的主要成分是普通物質,所以即使反物質出現在我們身邊,存在的時間也是以微秒計算的。所以在實驗室環境中制造出的反物質粒子停留時間都很短,科學家想方設法延長它們停留的時間。


  2008年,美國科學家進行了一個實驗,使用激光直接照射黃金,使黃金中的電子在電離作用下分裂得更快。在這個過程中,標靶黃金的原子核與電子發生作用,生成了正電子。因為激光能夠把能量集中在很小的空間和很短的時間內,所以能夠在實驗中大量且迅速地生成正電子。受到這個實驗的啟發,科學家們能夠在實驗室環境中批量制造反物質粒子。這帶來了反物質研究的新變革。


  物理學中的一些天體物理研究,如對黑洞和γ射線爆發現象的研究都發生了積極的變化。通過研究反物質,人們還能明白為什么在宇宙大爆炸發生時,反物質沒有立即湮滅,而且能夠留存至今。作為這次實驗的領導者,美國科學家陳慧表示,她的團隊在實驗中朝只有一毫米大小的標靶黃金發射低脈沖激光,獲得了比其他實驗多得多的反物質粒子。通過分析,她的團隊得出結論,使用低脈沖激光是造成如此多的正電子的主要原因。

暗能量與反物質之謎 人類能利用反物質做什么?93 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:22595,72584

  此次實驗的設計者斯科特·維爾克斯說,他們在之前的實驗中使用的標靶都是和紙一樣薄的物質,但是他在對實驗條件進行模擬的時候發現,尺寸為1毫米的黃金生成的正電子數量將會更多,并且通過最后的實驗證明了這一點,這讓實驗參與者都感到十分興奮。在之后的實驗中,通過向黃金發射低脈沖激光,電子開始加速分裂,并且和黃金的原子核發生作用生成正電子。


  這個過程產生了巨大的能量,與愛因斯坦相對論中的物質與能量關系的描述完全相符。同樣參與了這個實驗的美國科學家彼得·比爾斯多佛認為,這次實驗能夠得到的反物質數量非常大。


  這樣科學家們就能夠通過這樣的實驗來對反物質進行更加深入的研究,并且可能最終發現宇宙的秘密——為什么我們能夠觀測的物質數量遠遠多于反物質。以陳慧為代表的美國利沃莫爾實驗室的科學家們并不是首次利用激光制造反物質的研究人員。早在十年前,研究人員在使用Nova激光進行實驗時,就生成了反物質,但是沒有準確的記錄。現在,通過不斷改進標靶物質和使用更為靈敏的探測器,一次實驗能夠檢測到的反物質粒子就多達一百多萬個。


  科學家們根據這個數據進行推測,認為實際生成的正電子數量可能達到一千億個。在與電子相遇并湮滅之前,研究團隊發現,正電子的活動方式與電子十分接近,只是電荷不同。這也是科學家們發現它們的原因。他們使用了一臺電子探測器,能夠檢測到帶有不同電荷的粒子。比爾斯多佛表示,這次實驗正在開啟一個嶄新的時代。人類已經來到了一個新世界。這些科學家將在未來建設一個反物質研究中心,并且利用激光批量制造反物質,就像一座工廠一樣。



  我們能夠計算出,只要有一克反物質與物質碰撞并發生湮滅,它們釋放的能量就等于當今地球上已經建成的最大的幾個水電站發出的能量。所以科學家們預言,如果我們能夠利用反物質,那么人類在6周內登上火星將變得完全可行。現在,人類還走在研究反物質的路上,反物質的巨大資源究竟是否能為人類所利用,還是一個未解之謎。

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