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探索反物质世界:反物质为宇宙时空扭曲效应?一个看不见的宇宙

编辑:奇闻趣事大全   来源:www.wh598.cn   时间:2018-05-26
反物质世界寻找反物质验证宇宙起源:一个看不见的宇宙
 
按照我们现有的宇宙起源理论,大爆炸之初,宇宙向着一正一反两个对立的方向发展。从科学家们构拟的图像来看,正反两个宇宙好像从中间一个原点向左右扩散开来的两片蝴蝶翅膀。物质宇宙的对立面,仿佛镜像一般,有一个反物质的宇宙。
 
在微观的粒子层面,也存在着这种对称。如今我们所熟知的组成物质的基本粒子,如电子、质子、中子等,都有与它们相反的粒子,它们在质量上、样子上与它对应的粒子一模一样,但所带的电荷正负恰恰相反。这些相反的粒子就称为反粒子,如反电子(即正电子)、反质子、反中子等。物理学家根据反粒子理论,提出了反物质假说,但是否真有反物质,至今仍是一个谜。因为粒子与反粒子是一对冤家,碰到一起会同归于尽,化作一束强光,连一点“尸首”都不留下,这种现象我们称之为湮灭。在大爆炸后,“蝴蝶”的另一片“翅膀”反物质组成的宇宙神秘消失了。它去了哪里?
 
目前,许多反粒子已可以在实验中造出来。现在的正负电子对撞机就是利用加速器来获得人工反电子的。科学家还通过加速器获得了反质子、反中子和其他更小的反粒子。物理学家们认为,既然有反粒子,就应该有由基本的反粒子组成的反物质,如由两个反中子、两个反质子和两个正电子组成的反氦。反氦原子核如今是研究者们的重点搜索对象。
 
科学家一直盼望能找到反物质的“遗孤”,从而去证实或者推翻我们对宇宙起源的理解。反物质一靠近地球就湮灭了,那么在茫茫太空能找到吗?于是,一个大胆的探测项目诞生了,这就是著名的“阿尔法磁谱仪太空粒子探测项目”,简称AMS。这是物理学家丁肇中17年来唯一领军的项目,也可谓是当今粒子物理学界最前沿的实验
 
反物质世界
从所周知,我们居住的世界,一切可见的东西,包括宇宙天体都是由原子、分子等微观粒子所构成,科学家称它们为正物质。现代科学实验已经证明,世界上除了正物质外还有与其性质完全相反的反物质。
 
1928年,英国物理学家狄拉克通过实验,从理论上证明世界上存在带正电荷的正电子;1932年,美国物理学家卡尔.安德生通过对宇宙射线间相互作用的过程中,发现并证实了正电子的存在;1955年,美国科学家塞格雷和张伯伦在加利福尼亚大学利用质子同步照射器,射出了高能质子,再用这高能质子轰击铜靶,产生了带负电的反质子,1956年又发现了磁极极性与普通路子相反的反路子,以后又发现以顺时针方向自旋的反中微子;20世纪60年代前后,科学家又相继发现一系列反超子;1979年,美国科学家在35000米高空捕捉到28个反质子,稍后,又在外层空间发现反物质流;在此后进行一系列实验中,发现除了光子等少数粒子的反粒子是其本身外,所有粒子都有反料子;最近几年人们合成了第一个反原子——反氢原子。
 
但对于构成反物质的其他各类反原子、反分子都还一无所获,产生这些困难的原因在于人们发现的反粒子都是从宇宙射线中获得的,而宇宙射线要到达地球产先要穿过厚达3000~4000千米的大气层,射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已经与大气层中的粒子中和了,因而人们所能探测到的反粒子就是微乎其微了。而且反粒子都很不稳定,很容易和周围物质粒子发生湮灭。所以,科学家认为,在我们所处的这个物质世界中是不可能存在反物质的,即使存在也会很快和周围物质中各,但在宇宙空间深处可能存在一个与正物质世界完全相反的反物质世界。
 
科学家计算出某种类星体爆炸产生的能量,远远超过核爆炸能量的倍数,这说明宇宙中有一种能量超过核能,它会是什么呢?最有可能是反物质与正物质之间的一种特殊过程。另外,科学家认为宇宙中的奇异速度,同样与反物质有关。可能的情形是正物质突然走进反物质,但反物质又不与正物质完全吻合,所以正物质并不化为乌有。由于反物质的时间、空间和能量均为零,所以我们观测到的天文速度就超过了光速。根据爱因斯坦质能方程。现在我们广泛应用的核反应正是利用了这一点,但核反应不能使质能完全转化,而正物质与反物质相中各,因其放出的是零质量的r光子,所以其质量将会完全转化为能量 。
 
如果我们承认宇宙中存在反物质,承认宇宙中许多事物都具有对称性,那么有没有一个反物质世界与物质世界相对应而存在呢?如果真像宇宙大爆炸理论所描述的那样,在宇宙形成之初产生了等量的物质和反物质,应该有一个反物质世界,否则,反物质到哪里去了?关键是如何分辩哪些天体是由反物质组成的?在我们居住的宇宙小小角落里,还从来没有人探测到过反星球、反星系。
直接观测反星体十分困难,因为原子和反原子所辐射出的都为光子,这样,即使你看到一个反星球,可是其外貌跟一般星球并无二致。一个间接的办法是观测湮灭r辐射,因为反粒子和正常粒子一旦相碰湮灭,会化成一阵r射线暴。若我们近旁(例如银河系内)有反物质存在,由于星球会发生爆炸,其包藏物质被拽入星际空间,成为周围星球相互交换的物质,这样,物质和反物质势必不时发生碰撞,而产生湮灭信号。事实上,天文界一直末观测到这种信号。丁肇中博士认为,反物质可能统治着本星系群外的某些空域,它们是如此遥远,以致其特征性湮灭信号十分暗弱,难分真伪。丁肇中博士说:宇宙包藏着约10亿个星系团,要排放任何反星系是不可能的。
“上帝的秘密”:反物质为宇宙时空扭曲效应
 
星系旋转拖拽时空而产生时空扭曲现象 
 
据国外媒体报道,英国华威大学的物理学家从星系旋转的角度入手,建立了一个涵盖整个星系时空模型,旨在解释粒子物理学中的一个突出的难题:为什么在宇宙诞生之初,物质和反物质可以共同存在于宇宙空间中。这个问题犹如一扇通往宇宙终极奥秘的大门,门的背后或许就隐藏着“上帝的秘密”。物理学家们设想了一个“纯洁”的宇宙:这个构想出来的宇宙中,所有的物理定律在宇宙中任何一个地方都能适用,具有极强的普适性。宇宙中粒子和反粒子的行为也同样按照相同的方式进行运动。
 
然而,近些年的粒子物理实验中发现,在物质和反物质的衰变中,K介子和B介子表现出显著的差异性。这就是被称为“电荷宇称不守恒”的一个证据,这个证据的发现对粒子物理学家而言,应该是个有些“尴尬”的现象,因为在弱相互作用下宇称不守恒的观点被提出后,物理学家由此推理出“电荷宇称守恒“(CP守恒)的观点,但是这个观点不能解释我们宇宙中物质为什么会存在的问题。也就是说,理论上宇宙诞生后产生的是相同的物质和反物质,我们也知道物质和反物质相遇会湮灭,如果按此推演,就不会有当前宇宙中的一切了。
 
英国华威大学物理学系的Mark Hadley博士相信其找到了一种可经得起检验的关于电荷宇称不守恒的证据,该证据不仅能保持宇称的奇偶性,而且还能使得电荷宇称不守恒的理论可以合理地解释在宇宙诞生之后物质与反物质之间的问题。
 
Hadley博士的论文已经发表在EPL(欧洲物理学快报)上,主要介绍了对于CP破坏(CP对称被破坏了)的一种源头,这个源头与克尔度量的不对称有关。其同时也认为:研究人员忽视了一个重要的效应,即我们星系的旋转对亚原子粒子的衰减会产生重大影响。
 
根据现在粒子物理学的观点,我们的宇宙在根本意义上就是不对称的,而且在弱相互作用中,有一个明显的左和右的不对称性,也有一个更小的CP对称破坏存在于K介子系统中。以上观点已经被体现在现有的粒子物理实验中,但是没有任何的解释。其中的一个可能的原因就是:我们银河系的自转的效应造成了我们时空的扭曲,这种扭曲程度足以影响到对实验结果的评定。而如果时空扭曲足以影响实验结果,那么可不可以在一定程度上认为我们的宇宙从根本上说是对称的呢。对于这个较为“奇异”的预测,欧洲核子研究中心已经在收集相关的数据,以证明星系的自转对结果的影响有多少。
 
对于星系自转所产生的效应,这是一个较为容易被忽视的问题。因为我们一直以来都是处于地球和太阳的引力场中,这是最直接的感受,对于整个银河系在某个方面对我们人类造成的影响还不是那么显著。而Hadley博士则认为整个星系产生的引力场将使得星系内部的时空产生扭曲,这种扭曲自然也包括太阳系在内,而这个时空扭曲效应的影响将是不容忽视的。如此巨大质量的星系自转所具有的速度和角动量拖拽着星系内部的时空,造成时空的形状的变形以及时间的膨胀效应。
 
而整个星系的旋转对我们地球周围的时空所产生的效应比地球本身的自转要强100万倍。当CP破坏在B介子衰变中被观察到时,这是一个较为关键的现象,其有助于解释在相同粒子物质与反物质的分裂基于不同的衰变率。但是,奇怪的是:即使研究人员观察到衰变中出现的较大的差异,但把这些各个衰变率进行相加时,研究人员又能得到一个与在相同粒子中物质与反物质分裂条件下相同的值。
 
据Hadley博士介绍:我们银河系的自转对时空的“拖拽”效应理论可以解释关于目前观测的一切问题。在相同粒子物质与反物质分裂中,他们不仅可以在镜像上对称,在其他的结构上也将保持对称。对于那些粒子衰变而言,这个观点并不是完全不合理的,这个衰变的机制可能开始于“镜像”时刻,然而,银河系的自转所产生的“拖拽”效应是显著的,造成的时空扭曲足以引起每个粒子结构的不同,使其经历不同的时间膨胀效应,而这正是衰变以不同方式进行的原因。
 
这就是说,在每个粒子进行衰变时,时空扭曲所造成的不同时间膨胀所带来的整体效应必须被考虑,CP破坏的消失和对称守恒也应该与此相关。这个理论的另一个亮点是其能被得到检验,其所预测的现象也能进行相关的测试。在欧洲核子研究中心,已经收集到了大规模的数据阵列,显示出在衰变的过程中,CP破坏是存在的,同时还能检验出星系的自转所产生的“拖拽”效应对其的影响。
 
目前,粒子物理学家正在考证类似银河系这样巨大的星系对实验中所观察到CP破坏有着多大的影响。同时,其也为那些理论家们提供打开了一扇大门:将CP破坏作为一个非常有用的工具以解释在我们的宇宙诞生之初物质与反物质是如何进行分离的,如何形成我们现在所看到的物质宇宙。而事实上,由银河系旋转所产生的时空拖拽和时间膨胀效应对粒子实验的影响将是不容忽视的。而在极早期的宇宙中,可能存在足够的质量和旋转以产生时空拖拽,这个效应对物质与反物质的分布将产生显著的影响