基本介紹
- 中文名：反宇宙
- 外文名：Anti universe
- 提出時間：20世紀50年代
- 適用領域範圍：工程技術
概念,反粒子,重子數,天體,繼續尋找,正反物質,未知現象,爆炸,核爆,阿拉斯加,正反宇宙的形成,
概念
反粒子
把自然界紛呈多樣的巨觀物體還原到微觀本源，它們都是由質子、中子和電子所組成的。這些粒子因而被稱為基本粒子，意指它們是構造世上萬物的基本磚塊，事實上基本粒子世界並沒有這么簡單。在30年代初，就有人發現了帶正電的電子，這是人們認識反物質的第一步。到了50年代，隨著反質子和反中子的發現，人們開始明確地意識到，任何基本粒子都在自然界中有相應的反粒子存在。
電子和反電子的質量相同，但有相反的電荷。質子與反質子也是這樣。那么中子與反中子的性質有什麼差別？其實粒子實驗已證實，粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質也都相反。這裡我們討論一下重子數的概念。
重子數
質子與中子被統稱為核子。人們從核現象的研究發現，質子能轉化為中子，中子也能轉化為質子，但在轉化前後，系統的總核子數是不變的。50年代起的粒子實驗表明，還有很多種比核子重的粒子，它們與核子也屬同一類，這類粒子於是被改稱為重子，核子僅是其最輕的代表，一般的規律是：當粒子通過相互作用而發生轉化，系統中的重子個數是不會改變的。
由於重子數的守恆性，兩個質子相碰是不會產生一個包含三個重子的系統的，那么反核子應當怎么產生？實驗表明，反核子總是在碰撞中與核子成對地產生的。例如：
p+p → N+N+N+N'+若干 π介子
其中N代表質子或中子，N'代表反質子或反中子。反核子一旦產生，它常很快與周圍的某個核子再相碰而成對地湮滅。例如：
N+N' → 若干 π介子
對於比核子更重的重子，情況完全一樣。反重子也總是與重子成對地產生，成對地湮滅的。這些經驗使人們認識到，重子數的守恆規律需要重新認識。
人們把重子數B當作描述粒子性質的一種荷。正反重子不僅有相反的電荷，而且也有相反的重子數B。令任一個重子都具有重子數B=+1，則任一個反重子都具有B=-1。介子、輕子和規範子等非重子不具有重子數，即它們有B=0。重子數的守恆規律可表述為：任何粒子反應都不會改變系統的總重子數B。這表述既反映了不涉及反粒子時的重子個數不變，也概括了反粒子與粒子的成對產生和湮滅。我們容易理解中子和反中子的區別了，它們具有相反的重子數B，因此反中子能與核子相碰導致湮滅，而中子則不能。
此外，人們還類似地發現了輕子數的守恆性。中微子雖不帶電，也不具有重子數，但它與反中微子具有相反的輕子數。按輕子數的守恆性，中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的，實驗還表明，介子數和規範粒子數是不具有守恆性的。這樣我們看到，電荷只是粒子的一種屬性，另外還有用重子數和輕子數等物理量刻畫的其他屬性。正反粒子的這些屬性也都是相反的。
我們周圍的巨觀物質主要由重子數為正的質子和中子所組成。因此，這樣的物質被稱為正物質，由他們的反粒子組成的物質相應地叫反物質。從粒子物理的角度講，正粒子和反拉子的性質幾乎完全對稱，那么為什麼自然界有大量的正物質，而卻幾乎沒有反物質呢？
天體
粒子實驗已證實，正反粒子的強作用和電磁作用性質完全一樣，因此反質子和反中子也能結合成帶負電的反原子核，反核和反電子結合在一起，就能組成反原子。我們的正物質世界有多少種原子，相應在反物質世界中也能有多少種反原子，而且它們在結構上將是完全沒有區別的，延伸起來講，大量反原子可以構成反物質的恆星和星系。如果宇宙中正反物質為等量，那么這樣的反恆星和反星系就應當存在。因此這給天文學家提出了一個深刻的問題：天上有反恆星和反星系嗎？
要由觀測來分辨遠處星系由物質構成或反物質構成並不容易，天文觀測只是接收遠處天體所放出的光子。原則上，正物質天體若輻射光子，那么同樣的反物質天體應當輻射反光子。但是光子是純中性的粒子，因此光子與反光子是同一種粒子。這樣，天文學家通過可見光、射電、X射線或 γ 射線觀測，原則上無法區分他的目的物是由物質構成還是由反物質構成。恆星和星系除了輻射光子外，它們還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣，如果天文學家能接收中微子，那么他就能區分物質天體與反物質天體。可惜中微子與任何物質的相互作用都很微弱，造一個能接收它們的儀器很困難。用這辦法來區分物質天體或反物質天體還辦不到。那么讓我們問：與我們最鄰近的太陽或月亮會是由反物質組成嗎？
月亮是離我們最近的天體，由地面出發的太空人已在月球上登入過。如果月球是由反物質組成的，那么在那位太空人與月球接觸時，湮滅過程早已把他轉化為介子了。這是直接證據，表明月亮是正物質天體。至於太陽，那是人類沒有可能登入的地方。那么怎么才能知道它不是由反物質組成的呢？太陽表面的氣體很熱，其中熱運動速度較快的原子的速度已超過了太陽表面的逃逸速度，這就是太陽風的起因，若太陽是反物質恆星，太陽風就由反原子組成，它吹到行星上，就會和行星的正原子相湮滅。於是正物質組成的行星會逐漸消失掉，這種消失過程沒有發生，就證明了整個太陽系中沒有反物質天體。這樣，如果要存在反物質天體，它至少應在太陽系之外。
把眼光放遠到整個銀河系，要問的是：在這個由千億個恆星構成的系統中，會有一部分是反恆星嗎？人們也已能肯定地回答：不會有。我們從地面上能接收到太空中飛行的宇宙射線。觀測統計表明，宇宙射線粒子中反質子僅是質子的萬分之幾，並且這少量的反質子是高能粒子碰撞的次級產物，而不是原始的，此外宇宙射線中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子卻一個也沒有發現過，這些事實說明原初的宇宙射線是由正物質組成的。如果銀河系中有反物質恆星，那么宇宙射線粒子將與它碰撞而發生湮滅。湮滅產生的 π 0介子將很快衰變而成 γ光子。因此這種湮滅過程是能夠通過 γ 射線的觀測來發現的。正是沒能找到湮滅過程所放出的很有特徵性的 γ光子，使人們知道，銀河系中並沒有反恆星的存在，整個銀河系都是由正物質組成的。
我們的宇宙是由大量星系構成的。若在遠處有反物質組成的星系，原則上也能用同樣的道理來發現。星系之間並不是真空，而是瀰漫著很稀薄的氣體。因此，若既有正物質星系又有反物質星系，那么正反物質必會相遇，相遇處必會有湮滅過程發生。人們著意地尋找了相應的 γ射線，而沒有找到過。於是得出結論：在三千萬光年的範圍內不會有巨大的反物質星系存在。若在更遠的地方有這種湮滅發生，由於它的信號太弱而沒有被發現是不能排除的。所以上述結論是觀測能力所能給出的回答。
繼續尋找
1998年的夏天，美國宇航局把阿爾法磁譜儀送上了太空。它的主要目標之一是尋找宇宙射線中的反原子核。由於我國參與了這項研究，因此新聞媒體曾熱心地宣傳過它。
如果相信宇宙中有等量的物質和反物質，那么在三千萬光年之外應有大範圍的反星系區存在。在那裡，原始的宇宙射線應是由反質子和反 α粒子組成的。那裡的部分宇宙射線粒子會飛進我們這個由正物質構成的區域。由於星系際大部分地方很空曠，氣體的密度約只有每立方米一個質子的質量。因此反原子核可自由地飛行很長的距離。這樣，放置在地球大氣層之外的磁譜儀就能接收到它。這就是阿爾法磁譜儀計畫的基本想法。
上面已提到，實際測到的並不只是原始的射線粒子，它也包含由中途碰撞產生的次級粒子。因此當我們從宇宙射線中發現了反質子，它並不說明遠處一定有反物質天體區存在。這些反質子完全可能是次級產生的。反原子核就不一樣。它是由若干個反核子結合而成的複合體，所以不可能是碰撞產生的次級粒子。因此，如果能從宇宙射線中觀測到那怕只有一個反 α 粒子，它將是有力的證據，表明遠處有反物質天體存在。阿爾法磁譜儀能同時準確地測定飛入儀器的粒子的質量和電荷。當太空中有反 α 粒子飛入磁譜儀，它是容易被分辨出來的。這正是設計者所期望的事。阿爾法磁譜儀升空已有一年了，它接收到的信息正在陸續送回，其結果無疑非常令人關注。
若阿爾法磁譜儀的觀測證實了遠處有巨大的反物質區存在，那它肯定是一個里程碑式的成果。它的意義遠不僅是證實了宇宙中有反物質天體，更重要的是它對物理學提出了嚴峻的挑戰。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按現有的物理理論，沒有一種己知的作用力能使它們發生大範圍的分離。因此，如果觀測證實遠處確有已被分離出去的大量反物質，物理學將需要突破性的變化。
正反物質
在多數理論家看來，宇宙中正反物質的大尺度分離是不可能發生的。因此，三千萬光年的範圍內沒有反物質天體，已說明宇宙中大塊的反物質是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質應當等量。這樣，需要做的事是尋找物理機理，來說明宇宙如何才能從正反物質等量的狀態過渡到正物質為主的狀態。這裡，理論家也遇到了非常尖銳的困難。
按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產生達到統計平衡，宇宙介質就是一切基本粒子構成的混合氣體，且任一種穩定或不穩定的粒子都有接近相等的數密度。至於重子和反重子的數目是否嚴格相等，這不是由物理規律決定，而是由初條件決定的。
在理論家看來，在最初的宇宙中正反粒子應當等量才自然。但是易於看出，若這想法是對的，重子的守恆性立即會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 13 K以下，由於粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產生重子已不可能。於是湮滅過程將使正反重子的數目同時迅速下降。最終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上，宇宙中光子的數目最多．重子的數目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數目很可能還要低許多量級。如果重子數B的守恆性是嚴格的物理規律，要宇宙從正反重子等量的狀態演化成這樣的狀態是不可能的。然後，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多於反重子，那么問題的出路在哪兒？
重子數B的守恆性肯定是嚴格成立的物理規律嗎？至今難以計數的粒子實驗確實沒有發現過一個破壞重子數守恆的事例，但是這並不說明它一定是嚴格的規律。回顧一下化學的發展可作借鑑。化學反應是元素的重新組合。經驗表明，在重組合的前後，每一種元素的原子數是守恆的，無數的化學實踐表明沒有例外。想把汞變金的鍊金術的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應的知識後人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關鍵在於要有高的能量讓原子核發生變化。化學反應是在粒子能量小於1eV的條件下進行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應就不能發生。若過程中粒子的能量超過1MeV，原子核之間就能充分接近，那么原子核就能變化了，原子數的守恆性也就隨之破壞了。由此看來，原子數在化學過程中的守恆不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規律，而不是普遍成立的自然規律。借鑑同樣的道理，重子數的守恆性也可能僅是一定能量範圍的唯象規律，而不是普遍成立的。當粒子的能量更高，重子數的守恆性完全可能會不成立，這正是今天的理論家看到的出路。
從70年代中期起，粒子物理中由弱電統一理論的成功，掀起了研究相互作用大統一的潮流。按這樣的理論，高能下發生破壞重子數守恆的過程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學解決正反物質不對稱疑難的需要不謀而合了。於是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學的交叉領域而得到了很多進展。人們已清楚，要從正反物質等量的早期宇宙演化出今天正物質為主的狀態，除了重子數守恆須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質還必須有適量的差別。由於超高能下的粒子物理規律至今還沒有被掌握，因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果宇宙中只有正物質天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還並不完全肯定。
總之，為徹底揭開宇宙反物質之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預料，這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的，它對物理學的影響也將是很深刻的。
反物質是人類所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率釋放能量（核裂變的效率是百分之一點五）。反物質不造成污染，也不產生輻射，一小滴反物質就可以滿足整個紐約城全天的能量需求。
先別過於樂觀，其箇中可隱藏著危機。反物質可以把接觸到的任何正物質化為灰燼–––—連我們身邊的“正”空氣也概莫能外。僅僅一克反物質就相當於20千噸當量的核彈所釋放的能量——相當於當年扔在廣島的那顆。
未知現象
一些科學發現，常常使人們目瞪口呆，難以置信。而正是這些難以置信的發現，推動了人們對客觀世界的認識和科學的進步。反物質的發現就是這樣。
1932年，美國科學家安德森發現了一種特殊的粒子，它的質量和帶電量同電子一樣，只是它帶的是正電，而電子帶的是負電。因此，人們稱它為正電子。
正電子是電子的反粒子。
正電子的發現引起了科學界的震驚和轟動。它是偶然的還是具有普遍性?如果具有普遍性，那么其它粒子是不是都具有反粒子?於是，科學家們在探索微觀世界的研究中又增加了一個尋找的目標。
1955年，在美國的實驗室中反質子被找到了。後來，又發現了反中子。60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人們找到了。一個反物質的世界漸漸被科學家像考古般地"挖掘"了出來。
反物質的發現，使人們自然地聯想起了本世紀的許多不解之謎。
爆炸
最著名的是被稱為"世紀巨謎"的通古斯大爆炸。1908年6月30日凌晨，俄國西伯利亞通古斯地區的泰加森林裡，突然發生了一場劇烈的大爆炸。隨著一道白光閃過和一聲天崩地裂般的巨響，一片沉睡的原始森林頃刻化為灰燼。大火吞沒了數百公里之內的城鎮和生命，融化了冰層和凍土，引起山洪爆發、江河泛濫，仿佛"世界末日"到了。據估計，這次爆炸的威力相當於上百顆氫彈一齊爆炸。
通古斯爆炸震驚了全世界，"通古斯"也一夜之間名揚全球。由於西伯利亞的嚴寒和交通不便，直到1921年才由前蘇聯的一個研究小組第一次前去考察。以後世界上其他國家相繼派團考察，但至今通古斯大爆炸之謎依然眾說紛紜，莫衷一是。其中一種說法便認為是反物質引起的"湮滅"現象。因為這種能級的爆炸除非是流星或隕石墜落，否則無法解釋，而那裡卻沒有任何隕石碎塊。
核爆
1979年9月22日，美國的一顆衛星拍攝了發生在西非沿海一帶的酷似強烈爆炸的照片，經分析，它的強度相當於一次核爆炸。當時，只有美、蘇、英等少數幾個國家擁有核武器，誰會到如此遙遠的地方進行核試驗呢?美國政府幾經調查，否定了核爆炸的可能性，認為是衛星和隕石撞擊使儀器發錯了信號，但第二年，這顆衛星又在同一海域記錄到了與上次相同的現象，令政界和科學界大惑不解。對堅持通古斯大爆炸是反物質"湮滅"現象的科學家來說，又多了一個論據。
阿拉斯加
1984年4月29日晚10時許，日本一架班機飛抵美國阿拉斯加時，副機長突然發現飛機的前方有一團巨大的"蘑菇雲"，而且急速向四周擴散，天空一片灰藍……與此同時，荷蘭的一架班機和這條航線上的其他兩架飛機也見到了這種現象。降落後，獲悉訊息的美國當局立即對這四架飛機及機上人員進行放射性污染測試，結果，沒有發現任何放射性污染的痕跡。目擊者十分肯定地說這是核爆炸產生的煙霧，因而留下了又一個本世紀的"爆炸之謎"。
反物質的研究者認為，宇宙中存在著我們看不見摸不著的"反物質世界"，它的基本屬性同我們周圍的世界正好相反。反物質的原子核是由反質子和反中子構成的"負核"，外有正電子環繞。反物質一旦同我們世界的"正物質"接觸，便會在瞬間發生爆炸，物質和反物質變為光子或介子，釋放巨大能量，產生"湮滅"現象。
"反物質說"雖然只是科學上的一種假說，還有待證實，但反粒子等"負性物質"是確實存在的，而且又發現了反氘、反氫、反氦等等一系列反物質。相信隨著科學技術的不斷發展和科學研究的不斷深入，人們對反物質作用的認識一定會越來越深刻，反物質世界必將為人類做出應做的貢獻。
正反宇宙的形成
哲學上認為，巨觀宇宙無窮大，微觀世界無窮小，這和數學上的無窮大與無窮小表示相對應。但是，這和物理學的研究矛盾。
首先，結合一點物理學知識可以從數學上證明，如果宇宙無窮大，那么夜晚將和白天一樣亮，我們無論什麼時候在什麼方向上看到的天空都和太陽圓面一樣亮，而事實上不是這樣，這說明宇宙的大小有限，天上的星星數量有限，不會把夜晚的星空照得和白天一樣亮。
再說，微觀世界也不是無窮小。雖然物理學家丁肇中通過目前最精密的物理實驗也沒有觀測得出電子直徑的大小。但是，實驗卻指出宇宙只有62基本粒子，意思就是不能通過實驗，比如粒子加速器將兩束接近光速的相向而行的粒子對撞分裂而變成比這62種基本粒子更小的粒子，基本粒子不可分割這件事本身告訴我們，基本粒子就是最小的粒子了。 宇宙中的這些基本粒子又來自哪裡呢？來自真空量子漲落（起伏），它們只能從真空中成對產生，形成一對正反粒子，但是，正反粒子相互作用又相互湮滅形成2個或3個光子了。 宇宙無中生有，宇宙大爆炸應該產生等量的正反物質，但是，我們的宇宙並沒有發生等量的正反粒子相互湮滅，形成沒有物質存在的純光子宇宙。現在的問題是，宇宙大爆炸無中生有產生無中生有的等量的反物質到哪裡去了？
有一種觀點認為，正反物質不嚴格對稱，反物質比正物質衰變得稍微快了那么一點點，要非常精密的實驗才能發現這么一點點差別，雖然就只是快那么一點點，宇宙大爆炸產生的正反物質湮滅後，還名剩下那么一點點物質，由此形成了我們的龐大宇宙。
但是，這種解釋有兩個致命缺陷：第一個是構成我們物質宇宙的磚塊——原子的重子數為正，構成原子核的質子重子數+1，中子重子數+1，所以原子、分子、地球、太陽、銀河系、宇宙等等重子數總和為正。而反質子重子數-1，反中子重子數-1，所以反原子、反分子、反地球、反太陽、反銀河系、反宇宙等等重子數總和為負。
經過實驗證明在粒子加速器中的任何一次對撞過程中，重子數嚴格守恆。任何粒子的衰變過程重子數嚴格守恆，從來沒有發現重子數守恆被破壞的一例實驗。這充分說明，要依靠反物質衰變的速度比物質粒子更快來解釋我們的宇宙為什麼是物質的根本行不通。
再則，退一萬步說，即使正反物質粒子存在那么一點不對稱衰變，那么，那更多的對稱的正反物質相互湮滅產生的光子海洋又到哪裡去了呢？事實是，我們至今也沒有發現這遠遠超過宇宙物質所含能量的光子海洋到哪裡去了。
其實，最好的解釋是宇宙存在64種基本粒子，那就是還存在一對正反王為民粒子白洞，這樣也符合中國古人的太極圖和陰陽八卦64種基本組合的觀點。
在宇宙大爆炸開始之前，真空存在量子漲落，不斷產生正反粒子，但是，同時又湮滅了。但是，由於能量的不確定原理，真空存在零點能，真空量子漲落（起伏）產生一對正反王為民粒子白洞，它們相互排斥，所以無法湮滅。它們的奇點在由重合到分離的過程中，使正反王為民粒子白洞視界內部真空共同極化，在正王為民粒子白洞視界內部真空新的量子漲落（起伏）產生各種正反粒子過程中，這些正反粒子在正王為民粒子白洞視界內部不能靜止、不能倒退，只能單向運動，結果大部分物質粒子進入正王為民粒子白洞的克魯斯卡爾坐標系第一片區，形成我們的物質宇宙，重子數為正。大部分反物質粒子進入正王為民粒子白洞克魯斯卡爾坐標系第三片區，形成另一個的反物質宇宙，重子數為負。正反宇宙正反物質越來越多，根據王為民波粒時空三象性，這些正反粒子本身就是彎曲的時空，所以，發生時空加速膨脹現象。時空的膨脹導致宇宙學紅移，和背景輻射，基本粒子相互結合。
夸克通過交換膠子形成強子（包括質子、中子），核子（質子、中子）通過交換夸克形成王為民鍵形成原子核，原子核和電子通過交換光子形成原子，原子與原子通過交換電子形成分子。最先形成的是氫原子，所以宇宙中氫最多，其次形成氦原子，氦原子數量在宇宙中第二多，再依次形成鋰、鈹……直到形成鐵鎳。在正反王為民粒子白洞周圍形成了正反王為民超級恆星，正反王為民超級恆星將它上面的旋轉風暴（黑子）拋出，形成了旋轉著的星系、恆星、行星、星雲等，星系、恆星、行星、星雲等可以相互碰撞形成棒旋星系、不規則星系等。在星系中央最先演化為白矮星、中子星、黑洞。星系中央大黑洞主宰著星系的演化。在黑洞視界附近發生強子的王為民引潮力的色暴漲機制。強子被引力撕裂為夸克，再由於強子的夸克色禁閉再次形成強子，強子再次被引力撕裂，如此反覆，發生暴脹現象。由於旋轉黑洞的磁場將帶電粒子向黑洞兩極強烈噴發出來。某些行星上出現生命。後來，黑洞越來越多，直到將正反宇宙全部吞噬。正反宇宙就徹底死亡。這就是“正反王為民粒子白洞創生正反宇宙定律”。
