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，就發現了帶正電的電子，這是人們認識反物質的第一步。
基本介紹
- 中文名：反物質理論
- 外文名：fanwuzhililun
- 巨觀物體：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
主要概念,分集劇情,
主要概念
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。 反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，發生爆炸並產生巨大能量。能量釋放率要遠高於氫彈爆炸。 在丹·布朗的小說《天使與魔鬼》里，恐怖分子企圖從歐洲核子中心盜取反物質，進而炸毀整座梵蒂岡城。與此類似的是，YQZ的小說《末日大逃亡之地球毀滅》中，男女主角在費米國家實驗室科學家的幫助下，成功地用運載35克反物質的洲際飛彈炸毀了撞向南極洲飛船基地的中子星，而它曾經受數千枚核彈狂轟濫炸卻毫髮無傷。 反物質概念是英國物理學家保羅 狄拉克最早提出的。他在20世紀30年代預言，每一種粒子都應該有一個與之相對的反粒子，例如反電子，其質量與電子完全相同，而攜帶的電荷正好相反（A）。 且電子的自旋量子數是-1/2而不是正1/2。 科學家認為，宇宙誕生之初曾經產生了等量的物質與反物質。後來，由於某種原因，大部分反物質轉化為物質。再加上有的反物質難於被觀測，所以，在我們看來當今世界主要是由物質組成。一些科學家提出，宇宙中存在由反物質構成的反星系，反星系周圍存在微小的黑洞群。在衰亡時會放出低能反質子和反氦原子核。因此，觀測宇宙射線中的反質子和反氦原子核，可以為反物質天體的存在提供證據。 歐洲航天局的伽馬射線天文觀測台，證實了宇宙間反物質的存在。他們對宇宙中央的一個區域進行了認真的觀測分析。發現這個區域聚集著大量的反物質。此外，伽馬射線天文觀測台還證明，這些反物質來源很多，它不是聚集在某個確定的點周圍，而是廣布於宇宙空間．
分集劇情
主要概念
正電子、負質子都是反粒子，它們跟通常所說的電子、質子相比較，質量相等但電性相反。科學家構想在宇宙中可能存在完全由反粒子構成的物質，也就是反物質。 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。 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。也就是說在中子轉變為質子的同時，質子也在轉變為中子。 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。 中子圖 反中子圖 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。按照這種說法推論，在宇宙的某個地方，一定存在著反物質世界。如果反物質世界真的存在的話，那么，它只有不與物質會合才能存在。可物質與反物質怎樣才能不會合？反物質在宇宙何方？這還是待解之迷。 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。 反質子圖 質子圖 現在人們把重子數B當作描述粒子性質的一種電荷。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。現在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。 正,反粒子的自旋方向相反 1928年，英國青年物理學家狄拉克從理論上首次論證了正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外，一切性質和電子相同。1932年，美國物理學家安德遜在實驗室中發現了狄拉克所預言的正電子。1955年，美國物理學家西格雷等人用人工的方法獲得了反質子。此後人們逐漸認識到，不僅質子和電子，所有的微觀粒子都有各自的反粒子。 這一系列科學成果使人們日漸接近反物質世界。然而問題並不那么簡單。首先，在地球上很難發現反物質。因為粒子與反粒子碰到一起，就像冰塊遇上火球一樣，或者一起消失，或者轉變為其他粒子。所以在地球上，反物質一旦碰上其它物質就會被兼併掉。其次，製造反物質相當困難而且耗費巨大，需要如SSC或LHC之類的高科技儀器，並且即使製造出反物質，也難以保存，因為地球上萬物都由物質構成。 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，正粒子和反粒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？這正是我們現在要討論的問題。 反物質就是正常物質的鏡像，正常原子由帶正電荷的原子核構成，核外則是帶負電荷的電子。但是，反物質的構成卻完全相反，它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。從根本上說，反物質就是物質的一種倒轉的表現形式。愛因斯坦曾經根據相對論預言過反物質的存在：“對於一個質量為m，所帶電荷為e的物質，一定存在一個質量為m，所帶電荷為-e的物質（即反物質）”。按照物理學家假想，宇宙誕生之初曾經產生等量的物質與反物質，而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消，發生爆炸並產生巨大能量。然而，出於某種原因，當今世界主要由物質構成，反物質似乎壓根不存在於自然界。正反物質的不對稱疑難，是物理學界所面臨的一大挑戰。
主要特點
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，今天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今天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，如果今天的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。 下面是小說《天使與魔鬼》（丹·布朗著）中提到的一些： 反物質是人類目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率釋放能量（核裂變的幾率是百分之一點五）。反物質不造成污染，也不產生輻射，一小滴反物質就可以維持整個紐約城全天的動能。先別過於樂觀，其中可隱藏著危機…… 反物質極不穩定，它可以把接觸到的任何東西化為灰燼……連空氣也概莫能外。僅僅一克反物質就相當於20萬噸當量的核炸彈的能量——比當年扔在廣島的那顆核子彈要強2000多倍。 當物質與反物質接觸，原子最外層的電子因為所帶電荷相反而抵消，原子核中的質子也因同樣的原因相互抵消，而反中子因磁性與中子相反而與中子進行強烈的碰撞發出驚人的能量。愛因斯坦曾計算過這種完整的能量釋放比率，跟這種完全的能量釋放相比，核裂變就像劃燃一根安全火柴一樣微不足道。 在金山的網路FPS遊戲《熱血戰隊》的背景中也有所涉及。
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