反粒子,反物質(zhì)與我們而言并不遙遠(yuǎn)

1、第二十七章：反粒子，反物質(zhì)與我們而言并不遙遠(yuǎn)！對立和統(tǒng)一是一個(gè)我們熟知的哲學(xué)觀念，有上就有下，有陽就有陰，有正就有反。在物理學(xué)中也不例外，反粒子的發(fā)現(xiàn)就是最好的證明，那么什么是反粒子？反粒子的發(fā)現(xiàn)能給我們什么啟發(fā)？首先反粒子是相對于正常粒子而言的，它們的質(zhì)量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但是所有的內(nèi)部相加性量子數(shù)（比如電荷、重子數(shù)、奇異數(shù)等）都與正常粒子大小相同、符號相反。還有一些粒子的所有內(nèi)部相加性量子數(shù)都為0,這樣的粒子叫做純中性粒子，反粒子就是它本身，比如光子、no介子等。并不是粒子物理學(xué)中的每種粒子都有這種意義上的反粒子，中微子就沒有反粒子，反中微子的定義與此不同。大家要知道，反粒子的

2、概念首先是1928年由英國物理學(xué)家狄拉克在他的空穴理論中提出的。1932年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，證實(shí)了狄拉克的預(yù)言。1956年美國物理學(xué)家歐文張伯倫(OwenChamberlain)在勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子。進(jìn)一步的硏究發(fā)現(xiàn)，狄拉克的空穴理論對玻色子不適用/因而不能解釋所有的粒子和反粒子。根據(jù)量子場論，粒子被看作是場的激發(fā)態(tài)，而反粒子就是這種激發(fā)態(tài)對應(yīng)的復(fù)共軛激發(fā)態(tài)。如果反粒子按照通常粒子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。由反原子構(gòu)成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。后面會給你講反物質(zhì)的概念。那么有哪些常見的反粒子呢？正電子、反質(zhì)子、反中子、反中微子、反介子、反超子等都是反粒子。再強(qiáng)調(diào)一遍，反粒子

3、與所對應(yīng)的粒子在質(zhì)量、自旋、平均壽命和磁矩大小都相同；如果帶電。兩者所帶電量相等而符號相反。磁矩和自旋的取向關(guān)系也相反。反粒子與所對應(yīng)的粒子相遇就發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)變?yōu)閯e的粒子。一切粒子均有其相應(yīng)的反粒子，如電子e-的反粒子是正電子e+，質(zhì)子p的反粒子是反質(zhì)子，中子n的反粒子是反中子，1959年王淦昌領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)的反西格碼負(fù)超子是工-的反粒子。有些粒子的反粒子就是它自己。如Y光子、n0介子和n介子。一些中性玻色子如光子、n0介子等，其反粒子就是它們自己。所以說除了某些中性玻色子外，粒子與反粒子是兩種不同的粒子。上面已經(jīng)介紹了，反粒子最早是1928年P(guān).A.M.狄拉克理論上預(yù)言正電子而提出的，193

4、2年被C.D.安德森實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)而證實(shí)；1956年美國物理學(xué)家張伯倫在勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速過的高能粒子對相撞，發(fā)現(xiàn)在突然間成對出現(xiàn)了幾道軌跡，又在短時(shí)間內(nèi)相撞而互相湮滅，這是人們第一次直接觀測到反粒子。正反粒子是從場論的觀點(diǎn)來認(rèn)識的，場的激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子，與之對應(yīng)，場的復(fù)共軛激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為反粒子。當(dāng)詵子的能量大于某種粒子靜能的兩倍，在一定的條件下就可以產(chǎn)生正反粒子對；反之，正反粒子相遇可湮滅并產(chǎn)生兩個(gè)光子或3個(gè)光子，遵從質(zhì)量-能量守恒和動(dòng)量守恒。如果所有的粒子都有相應(yīng)的反粒子，首先檢驗(yàn)的是應(yīng)該存在質(zhì)子的反粒子、中子的反粒子。1956年美國物理學(xué)家張伯倫

5、等在加速器的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，即質(zhì)量和質(zhì)子相同，自旋量子數(shù)也是1/2，帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子。接著又發(fā)現(xiàn)了反中子。后來發(fā)現(xiàn)，各種粒子都有相應(yīng)的反粒子存在，這個(gè)規(guī)律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，這種粒子稱為純中性粒子。光子就是一種純中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理學(xué)中，已不再采用狄拉克的空穴理論來認(rèn)識正反粒子之間的關(guān)系,而是從正反粒子完全對稱的場論觀點(diǎn)來認(rèn)識。迄今，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾乎所有相對于強(qiáng)作用來說是比較穩(wěn)定的粒子的反粒子。如果反粒子按照通常粒子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。由反原子構(gòu)成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。反物質(zhì)又是什么概念？物理學(xué)上指反原子核由反質(zhì)子和反中子組成的帶負(fù)電荷

6、的物質(zhì)。反核子（反質(zhì)子和反中子）組成反原子核，反原子核和正電子組成反原子，各種反原子組成各種反物質(zhì)。對于反物質(zhì)的探索過程，已經(jīng)取得了很大成功。下面就是一些實(shí)例。1995年歐洲核子硏究中心的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中制造出了世界上第一批反物質(zhì)反氫原子。1996年，美國的費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室成功制造出7個(gè)反氫原子。1997年4月，美國天文學(xué)家宣布他們利用伽馬射線探測衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，在銀河系上方約3500光年處有一個(gè)不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源尼噴射出的反物質(zhì)形成了一個(gè)高達(dá)2940光年的“反物質(zhì)噴泉”。由于我國參與了這項(xiàng)硏究，因此新聞媒體曾熱心地宣傳過它。美國著名華裔科學(xué)家丁肇中也正致力于此。2000年9月18日歐洲核

7、子硏究中心宣布他們已經(jīng)成功制造出約5萬個(gè)低能狀態(tài)的反氫原子,這是人類首次在實(shí)驗(yàn)室條件下制造出大批量的反物質(zhì)。嚴(yán)/4?歐洲原子硏究中心的科學(xué)家們在歐洲當(dāng)?shù)貢r(shí)間的2010年11月17日表示，通過大型強(qiáng)子對撞機(jī)，他們已經(jīng)俘獲了少量的“反物質(zhì)”。當(dāng)然，這些“反物質(zhì)”只是少量的反氫原子而已，但這一發(fā)現(xiàn)也是引發(fā)了科學(xué)家極大的反響。位于日內(nèi)瓦的歐洲核子硏究中心一直以來也在為破解這一難題而不懈的努力。歐洲核子硏究中心擁有世界上能量最高的粒子對撞機(jī)大型強(qiáng)子對撞機(jī)，這一對撞機(jī)的使命就是探究宇宙的起源，尋找那些未經(jīng)證實(shí)的可能存在的物理現(xiàn)象。在17日硏究人員宣布，在經(jīng)過了不懈的努力之后，大型強(qiáng)子對撞機(jī)終于發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)

8、氫原子的反物質(zhì)。羅布湯普森教授表示：“盡管發(fā)現(xiàn)的只是反物質(zhì)的冰山一角，但這毫不影響這一發(fā)現(xiàn)的重要性，這是一次重大的突破，有利于我們更好的了解宇宙的性質(zhì)和起源”。英國自然雜志網(wǎng)站17日刊登硏究報(bào)告說，歐洲核子硏究中心（CERN）的科學(xué)家成功制造出多個(gè)反氫原子，并利用磁場使其存在了“較長時(shí)間”。這是科學(xué)家首次成功“抓住”反物質(zhì)原子。來自英國的斯旺西大學(xué)的查爾頓教授最后對于這一發(fā)現(xiàn)做了自己的論述：“現(xiàn)在的宇宙基本是由普通物質(zhì)所壟斷，但我們必須要了解宇宙的全貌，否則我們可能身處危險(xiǎn)之中卻全然不知，氫是宇宙中最重要的元素，發(fā)現(xiàn)它的反物質(zhì)，具有非凡的意義?！陛p子夸克氫原子是只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子的最簡單的

9、原子。實(shí)際上，歐洲核子硏究中心早在1995年就第一次制造出了反氫原子，旦只能存在幾個(gè)微秒的時(shí)間，就與周圍環(huán)境中的正氫原子相碰并湮滅。此次的突破之處在于，制造出數(shù)個(gè)反氫原子后，昔助特殊的磁場首次成功地使其存在了“較長時(shí)間”約0.17秒。這個(gè)時(shí)間聽起來似乎仍然很短，旦對于科學(xué)家來說，這個(gè)時(shí)間長度已十分難得，可以對反氫原子進(jìn)行較為深入的觀測和分析。因此，這一成果被看作是物理學(xué)領(lǐng)域的一大突破，將大大推動(dòng)有關(guān)反物質(zhì)的硏究。反物質(zhì)是一種人類陌生的物質(zhì)形式，在粒子物理學(xué)里，反物質(zhì)是反粒子概念的延伸反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的。反物質(zhì)和物質(zhì)是相對立的，會如同粒子與反粒子結(jié)合一般，導(dǎo)致兩者湮滅并釋放出高能光子或伽瑪射

10、線。2011年5月初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與美國科學(xué)家合作制造了迄今最重反物質(zhì)粒子反氦4。2011年6月5日歐洲核子硏究中心的科硏人員宣布已成功抓取反氫原子超過15分鐘。同時(shí)在自然界也有反物質(zhì)的能動(dòng)能效-反應(yīng)為反物質(zhì)凝聚。我國上海光機(jī)所利用飛秒拍瓦激光裝置和高壓氣體靶相互作用產(chǎn)生大量高能電子，高能電子和高Z材料靶相互作用，由韌制輻射機(jī)制產(chǎn)生高強(qiáng)度伽馬射線，伽馬射線再和高Z原子核作用產(chǎn)生正負(fù)電子對。正電子譜儀經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，成功解決了伽馬射線帶來的噪聲問題，利用正負(fù)電子在磁場中的不同偏轉(zhuǎn)特性，實(shí)驗(yàn)中在單發(fā)條件下就成功觀測到了正電子。這是我國首次報(bào)道利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。由丁肇中主持的反物質(zhì)硏究已有16個(gè)

11、國家的科學(xué)家參與其中，投入的資金更是高達(dá)1000多億美元。許多科學(xué)家表示：只要能發(fā)現(xiàn)宇宙反物質(zhì)的存在，那么這將是當(dāng)之無愧的諾貝爾獎(jiǎng)。人類已經(jīng)向太空發(fā)射探測器，該探測器已于2005年發(fā)射升空并永久停留在太空,東南大學(xué)還將建立一個(gè)數(shù)據(jù)接收分析中心和培訓(xùn)中心作為配套項(xiàng)目。丁肇中認(rèn)為，如果反物質(zhì)確實(shí)存在，當(dāng)正物質(zhì)與反物質(zhì)碰撞時(shí)可以產(chǎn)生巨大的能量。他所主持的尋找宇宙中的暗物質(zhì)和反物質(zhì)”的硏究已進(jìn)行多年，已取得一些重要成果?！暗?，從這一領(lǐng)域發(fā)展的歷史來看，人們要有思想準(zhǔn)備，也許我們會發(fā)現(xiàn)意想不到的東西，與原先想硏究的東西毫無關(guān)系?！倍≌刂泻苌髦氐乇硎?。反物質(zhì)至今都是物理學(xué)領(lǐng)域的一大謎團(tuán)。我們周圍環(huán)境中的

12、物質(zhì)是正物質(zhì)，它由原子組成，原子由帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子以及中性的中子組成。與此相反，由帶負(fù)電的質(zhì)子和帶正電的電子組成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。大家已經(jīng)看到了，反粒子是存在的，反物質(zhì)也是存在的。關(guān)于反物質(zhì)，反粒子的理論觀點(diǎn)，就是再寫10萬字也總結(jié)不完。大概是從兩個(gè)方面進(jìn)行硏究和推測的。一個(gè)是從宇宙大爆炸方面，認(rèn)為宇宙爆炸之處正反物質(zhì)是等量的，現(xiàn)在太空中就有磁譜儀來檢測反物質(zhì)。目前還沒有檢測到太空的反物質(zhì)。另一個(gè)是從實(shí)驗(yàn)室獲取方面來硏究的。難點(diǎn)主要是反物質(zhì)的難追尋，難保存。這兩個(gè)點(diǎn)使得反物質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)。就兩個(gè)點(diǎn)的內(nèi)容，我不安照現(xiàn)有的理論來給大家講了。因?yàn)槲易约菏遣毁澩摹？催^我另一本科普書

13、籍變化的朋友，肯定知道為什么。首先我在變化中說過，組成物質(zhì)的基本粒子形態(tài)，應(yīng)該有“正，中，反”三種形態(tài)。也符合現(xiàn)在的硏究，也符合現(xiàn)在的哲學(xué)體系。反物質(zhì)，反粒子的存在，不是人類的悲哀。雖然這種反物質(zhì)危險(xiǎn)論”是存在的。宇宙大爆炸理論值得懷疑，很多點(diǎn)不能自圓其說。何況我們對于宇宙還沒有一個(gè)整體的認(rèn)識，就不能說宇宙是膨脹的。我們現(xiàn)在看到的只能說是局部。所以宇宙大爆炸初始正反物質(zhì)等量的概念我自然是不認(rèn)同的。是的，我們周圍環(huán)境，都是正物質(zhì)環(huán)境。反物質(zhì)一出現(xiàn)，就會和正物質(zhì)發(fā)生湮滅。但情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡單，我們周圍的環(huán)境是正物質(zhì)環(huán)境，不代表沒有一處環(huán)境，不適合反物質(zhì)存在。所以大規(guī)模的反物質(zhì)一定有存在的空間。在

14、浩瀚的宇宙中，只要我們?nèi)祟惢畹膲蚓?，走的夠遠(yuǎn)，就一定能夠找到。而且現(xiàn)在物理的規(guī)則顯示，他們不應(yīng)該是等量的。宇宙是一個(gè)開放的系統(tǒng)。這也是我在變化中的觀點(diǎn)。一個(gè)開放的系統(tǒng)是不會有熵寂的。生命在環(huán)動(dòng)生命更在卅索靈遁者假如宇宙是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，又假如宇宙正是從大爆炸產(chǎn)生，而且正反物質(zhì)等量，那才是人類的悲哀呢。一個(gè)封閉的系統(tǒng)，必然走向熵寂，人類自然也是曇花一現(xiàn)。這樣考慮的話，我們還可以有一個(gè)大膽的推測。我們周圍的物質(zhì)都是正物質(zhì)，也可以說是“同類物質(zhì)”?！巴韵喑狻痹陔姶艑W(xué)里我們學(xué)過。引力又是宇宙中最弱的力。我們一般認(rèn)為磁場的延伸范圍是無限遠(yuǎn)的。那我們現(xiàn)在所處的宇宙環(huán)境就是很多個(gè)磁場組成的大磁場”。那么在

15、“同性相斥的情況下，也能得出引力不足以拉住周圍的星系，看到宇宙是膨脹的！其實(shí)這個(gè)假設(shè)的漏洞也明顯，那就是如何解釋離我們越遠(yuǎn)的星系，膨脹速度越快。造成此原因的相干性理論也能有很多。所以我們要拆開來講，是很復(fù)雜的。大家可以先去看看變化中關(guān)于宇宙大爆炸的內(nèi)容觀點(diǎn)。但想到了這個(gè)推測，我們還應(yīng)該想到一個(gè)問題：那就是輻射和電磁場，或電磁波的關(guān)系。大家好好想想這個(gè)問題，下一章我們就這個(gè)問題來討論一下。一定能給你耳目一新的感覺。所以宇宙大爆炸和暗物質(zhì)理論是有很多疑點(diǎn)的,也是我為什么要一再強(qiáng)調(diào)的。因?yàn)樵摾碚搶ξ覀円呀?jīng)是耳濡目染，影響深入骨髓了。但它所指向的方向，令我更加迷惑了，而不是清晰了。所以我要說出這些話來。在這里著重強(qiáng)調(diào)，用熵的概念來理解