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    世界即時看!“宇宙另一半”消失還是隱匿? 反物質恒星或是破解謎題的關鍵

    2022-08-11 16:08:03 科技日報

    反物質和正物質的質量和電荷數是一樣的,但電荷的符號不一樣,是相反的。通常,原子核帶正電,電子帶負電。反物質則是正常物質的鏡像,它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。

    李祖豪 中國科學院高能物理研究所研究員


    (資料圖)

    多年來,科學家渴望能夠在宇宙中找到反物質的蛛絲馬跡。近日,據媒體報道,根據國際空間站上攜帶的阿爾法磁譜儀粒子探測器收集到的數據,科學家推測宇宙中的反物質可能比我們認為的要更多。此前,就有一些科學家認為,反物質可能以反物質恒星的形式存在于宇宙之中。

    什么是反物質?反物質和物質是彼此的鏡像嗎?反物質恒星真的存在嗎?帶著這些問題,記者采訪了相關專家。

    反物質從科幻走向現實

    科學作家戈登·弗雷澤在《反物質:世界的終極鏡像》一書中寫道:“反物質對星際迷航中‘企業號’的運行是決定性的,要是沒有反物質,就沒有星際迷航?!贝搜圆惶?,在電影《星際迷航》中,反物質是星際旅行的基礎,“企業號”飛船正是以正反物質湮滅產生的強大能量作為推力,實現超光速飛行。

    而在小說家丹·布朗的小說《天使與魔鬼》中,歐洲核子研究中心(CERN)的科學家在實驗室中制造出了反物質,僅需0.25克的反物質就足以在頃刻間毀掉梵蒂岡。

    反物質不僅存在于電影情節和文學創作中,還是科學研究的重要方向之一。中國科學院高能物理研究所研究員李祖豪認為,要認識反物質,便繞不開這幾個名字:

    1928年,“反物質之父”保羅·狄拉克寫下了一個用來描述電子的方程,這個方程也就是后來大名鼎鼎的“狄拉克方程”,它使年僅26歲的狄拉克在科學界一舉成名。狄拉克方程在理論上預言了反物質的存在——一個電子必須有一個等量但帶著相反電荷的對應粒子。狄拉克將這些新粒子稱為“反粒子”。

    1929—1930年,我國物理學家趙忠堯在實驗中觀測到了“反電子”存在的痕跡,其論文為研究“正—負”電子對的產生提供了證據,在反物質的研究中,留下了中國科學家的“足跡”。

    讓反粒子從理論走進現實的是美國物理學家安德森。1932年,安德森宣布在宇宙線中發現了“反電子”,證實了反粒子的存在。1936年,年僅31歲的安德森憑借這一發現和科學家赫斯分享了諾貝爾物理學獎。

    1955年,張伯倫和塞格雷等科學家利用高能質子同步穩相加速器成功“捕捉”到了反質子,二人在1959年分享了諾貝爾物理學獎。隨后,科學家們陸續制造出了反中子和反氘核等反粒子。

    1995年,歐洲核子研究中心的物理學家奧爾勒特帶領團隊進行了第三次制造反物質原子的實驗,在為期3周的反質子與氙原子的碰撞實驗中,一共產生了9個反氫原子,其平均存活時間為一億分之四秒,以接近光速行駛了十幾米,然后就與正物質發生湮滅。這意味著,在實驗室成功制造出了第一批反物質原子——反氫原子。

    實驗室成功制造出了反物質。那么,宇宙中的反物質棲身何處呢?

    1997年,美國天文學家宣布,他們利用康普頓伽馬射線天文臺,發現在銀河系上方約3500光年處有一個不斷噴射反物質的反物質源(銀心反物質噴泉)。后來的研究顯示,銀河系中心確有大量不明來源的反物質,但并非以“噴泉”的形式存在。

    2011年,阿爾法磁譜儀粒子探測器升空。目前科學家已通過這一設備觀測到反氦四候選事例?!胺春に氖欠春ぴ雍?,被認為不太可能由宇宙線碰撞產生?!崩钭婧澜忉尩?,“所以,如果能證實宇宙線中存在反氦四原子核,將是反物質天體存在的有力證據?!?/p>

    正反物質本為“一母同胞”

    反物質的存在被確定了,但新的問題又出現了——反物質究竟長什么樣?與正物質相比,它有何不同?反物質來自何方,又去往何處?

    通俗地說,反物質世界是我們現存世界的鏡像,其構成元素、外觀甚至光譜結構看上去都與正物質世界別無二致,僅僅在某些物理特性上有差異。

    “反物質和正物質的質量和電荷數是一樣的,但電荷的符號不一樣,是相反的?!崩钭婧辣硎?,“通常,原子核帶正電,電子帶負電。反物質則是正常物質的鏡像,它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核?!?/p>

    歐洲核子研究中心的一項研究顯示,氫原子和反氫原子的光譜結構看起來是一樣的。歐洲核子研究中心還表示,到目前為止,反物質看起來就像我們所知的普通物質。

    據李祖豪介紹,科學界普遍認為,宇宙大爆炸早期曾產生了數量相當的正物質和反物質,可以說二者“一母同胞”。但如今在地球附近幾乎看不到天然存在的反物質,這被稱為“反物質缺失之謎”。

    理論上,宇宙大爆炸時所產生的粒子與反粒子數量應當相同,但為什么現今我們所看到的都是正粒子?反粒子去哪兒了?

    李祖豪介紹道:“目前有兩種假設:一種認為,由于大爆炸產生的正反物質在宇宙演化中的性質不同,反物質逐漸消失,只剩下正物質,不過目前的實驗結果并不支持這一結論;另一種認為,大爆炸產生的物質和反物質分別處在宇宙的不同區域?!?/p>

    換句話說,反物質要么“不辭而別”,要么隱入宇宙深處。

    只能等待反物質“自投羅網”

    “反物質缺失之謎”長久困擾著科學家,關于反物質的假設也層出不窮。其中一個假設認為,反物質可能以反物質恒星的形式存在于宇宙之中。這個假設意味著,如果反物質恒星存在的話,反物質就有可能構成“宇宙的另一半”。

    為了驗證這個假設,我們該如何尋找反物質恒星?

    李祖豪表示,嚴格來說,現有的研究無法尋找反物質恒星。當前國際范圍內唯一在太空探測反物質的磁譜儀——阿爾法磁譜儀已在國際空間站工作了10余年,它的主要任務是尋找反物質和暗物質,精確測量宇宙線的成分和能譜以研究宇宙線起源。然而,阿爾法磁譜儀被固定在國際空間站上。因此,嚴格來說,在現有的研究條件下,我們只能等待反物質進入磁譜儀的探測范圍,而無法主動尋找反物質及反物質恒星。

    目前主要有兩種探測宇宙中反物質粒子的手段,一種是通過磁譜儀直接探測反物質,另一種則是通過高能探測器探測正物質和反物質湮滅產生的高能光子判斷反物質的存在。探測及驗證反物質恒星存在的困難在于,判斷反物質乃至反物質恒星存在,需要基于對宇宙中帶電粒子的觀測。但和具有指向性的光不同,帶電粒子不具有指向性。因為在傳播過程中,帶電粒子容易受到磁場的影響不斷地改變方向。因此,哪怕探測到了反物質粒子,也無法判斷其來源,科學家無法對擁有數百萬年“旅行史”的反物質粒子“尋根究底”,追溯其源頭。因此,對反物質恒星的探測和驗證也就變得尤為艱難。

    盡管如此,仍有許多科學家對探尋反物質以及反物質恒星的存在報以熱忱。

    李祖豪表示,如果反物質恒星存在的話,它將是完全由反物質構成的,其中所有的基本粒子都有與我們現今世界粒子一樣的質量和壽命,但電荷符號等基本物理特性是相反的,這對我們已知的所有物理規律具有怎樣的影響,還有待理論學家的計算和實驗驗證。

    法國科學家曾計算出可能潛伏在宇宙中的反物質恒星的最大數量??茖W家認為,反物質恒星會像正常恒星一樣發光,且每40萬個普通恒星中或將存在一個反物質恒星。然而,這一假設是否成立,仍有待進一步驗證。

    “今人不見古時月,今月曾經照古人”,和時年138億歲的深邃宇宙相比,代代更迭的人類顯得異常渺小,許多關于宇宙的問題,只能等待時間來給我們答案。也許在高能探測器和磁譜儀不曾看向的角落,有著來自反物質恒星的光,只等人類的驚鴻一瞥。

    駱香茹

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