为什么宇宙中的物质比反物质多呢

浏览:2831   发布时间: 08月27日

朋友们,大家好!

常理告诉我们,人类居住的蓝色小行星以每秒29.97公里围绕太阳公转,而太阳又以每秒 220 公里的速度围绕银河系中心(超大质量黑洞人马座A*)旋转。

为什么宇宙中的物质比反物质多呢

宇宙网 图片来源:网络

在可观测宇宙中,星系系统的总数可能达到一千亿个以上(包括银河系)。从地球上看,它们是微小的雾状斑点。随着越来越远离银河系,超越可观测的宇宙,将会看到由星系构成的庞大“宇宙网”串成丝状或卷须状。宇宙网的丝状物是由暗物质维系在一起的,它被认为是由宇宙中密布的漏斗形的星系、气体和暗物质构成,仿佛混沌的“星系际高速公路”。

是的,相对于渺小的人类来说,宇宙可能永远是神秘的,但这不是人类停止探索宇宙奥秘的理由。人类可以对其结构做出各种假设,但对它的真正了解可以说是九牛一毛。就拿科学家们称之为可观测宇宙的这一部分来说,如果当今的物理定律确实是人类所想的那样是对称的,那么在宇宙大爆炸中必须创造相同数量的物质和反物质。但是,为什么科学家们观测到的宇宙中物质远多于反物质呢?

为什么宇宙中的物质比反物质多呢

物质探测 图片来源:网络

这是目前物理学没能很好解释的一个问题,也算属于前沿物理了。

物质与反物质

大爆炸应该在早期的宇宙中产生等量的物质和反物质。但是今天,人们看到的一切几乎都是由物质构成的。另一方面,反物质却很难被探测到。此外,物理学中最大的挑战之一是搞清楚反物质发生了什么,以及为什么物质和反物质之间不对称。

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保罗·狄拉克(Dirac) 图片来源:网络

在该领域内,最先提出“反物质”的是英国理论物理学家量子力学的奠基者之一保罗·狄拉克(Dirac),他为了描述电子(自旋为1/2的粒子)的运动而提出了Dirac方程,通过解这个方程发现,每一种粒子(自旋1/2的粒子)都必定存在其对应的反粒子,反粒子和粒子的质量完全相同,但是电荷等属性完全相反(注意与暗物质区分)。随着理论和实验的发展发现,不管自旋为多少,每一种粒子都有其对应的反粒子(特殊情况下,反粒子可以为其本身,如光子)。

单纯的从狄拉克方程(Dirac Equation)来看,物质和反物质的地位是完全等价的,不存在谁比谁更优先,两者是互为反物质,也就是说,物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的,也就说二者存在的数量总和应该相等。但是天文观测数据却显示,在可观测的宇宙范围内,二者严重失衡,只发现了正物质,没有反物质。这种不平衡主要体现在正反重子的不平衡上。假设宇宙中有反物质存在的区域,那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭,产生很强的伽马射线,但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。其它的观测也给出了相同的结果。

正如欧洲核子研究中心(CERN)研究表明,反物质(或反物质)粒子与物质中的粒子具有相同的质量,但电荷等性质相反。例如,带正电的电子是带负电的电子的反粒子。

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物质和反物质 图片来源:网络

简单地说,物质和反物质总是成对形成的。物质由原子构成,反物质由反原子构成,原子核内带正电,核外带负电,而反原子恰恰相反,故物质与反物质相结合就会湮灭,产生大量能量。在大爆炸的瞬间,炽热而密集的宇宙间粒子和反粒子对不断出现和消失。根据狄拉克方程(Dirac Equation)如果物质和反物质同时诞生又一起消亡,那么宇宙中似乎应该只剩下能量。

事实上,常规能量是不能转化为物质的,而只能在各个物体之间转移和各种能量形式之间进行相互转化。但是,极高温度的能量(比如宇宙大爆炸瞬间),在扩散冷却时,能量是可能转化为物质的。

是的,这就是人们今天看到的世界。有趣的是,在过去的几十年里,粒子物理实验表明,自然定律好像并不适用于物质和反物质。

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安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫 图片来源:网络

那么从现有的理论上该怎么解释这个现象呢?1967年前苏联物理学家萨哈洛夫(Sakharov)就提出了动力学产生宇宙正反物质不对称, 即重子数产生(baryogenesis)机制所需要的3个条件:

  • 存在重子数不守恒的过程
  • C和CP对称性的破坏
  • 脱离热平衡

重子数的定义:正物质重子数 减去 反物质重子数。第一条是很显然的,若重子数守恒,那么正反物质永远是对称的。第二条,C不对称是正反粒子交换的不对称,CP不对称是正反粒子交换、左和右交换联合的不对称。只要C或CP中的任意一个对称性存在, 重子数破坏的反应过程就会产生相同数量的重子和反重子。第三条,由CPT 定理(T是时间反演)可知,正反粒子质量相等。如果处于热平衡,重子与反重子将具有相同的热分布, 因而会有相同的密度和数量。

众所周知,重子是由三个夸克(或者三个反夸克组成反重子)组成的复合粒子,而最常见的重子包含有组成日常物质原子核的质子和中子。

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CERN 的研究人员正在不知疲倦地努力解开宇宙的奥秘 图片来源:网络

现在,正如这项研究的科学家所写的那样:““我们有能力使用对核现象极为敏感的重放射性分子来测量这些对称性破坏。”

看到这里,可能有些看官已经猜到了,中子是对分子没有太大影响的重基本粒子,其大小只有分子的百万分之一,同时又是分子的一部分。

自然界中的大多数原子都包含一个对称的球形原子核,且中子和质子均匀分布。但在一些放射性元素中,如镭,原子核呈奇异的梨形状,内部中子和质子分布不均。物理学家假设这种形状的扭曲可能会加剧对称的破坏,导致宇宙中物质的产生。

宇宙中有多少反物质?

今年 5 月,麻省理工学院的物理学家基于在欧洲核子研究中心(CERN)的粒子加速器中产生的非常小的放射性分子有了一些惊人的发现。研究人员认为,这些新型放射性分子可以揭示为什么宇宙中的物质多于反物质。

放射性分子似乎是一个很好的突破口,开始为困扰现代物理学的基本问题之一(即:为什么物质和反物质之间不对称)提供解决方案。但这些不是普通的放射性分子,它们只存在于中子星或超新星的合并中。

事实上,对人类而言,这些分子是第一次在地球上被创造出来的。

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放射性分子 图片来源:网络

最关键的是,放射性分子的中子数,物理学家们能够测量中子对其分子能量的影响。事实上,这本身就是一项科学突破。

首先,科学家们必须创造一种新分子。他们对单氟化镭 (RaF) 特别感兴趣,这是一种不稳定的放射性分子,在其产生后仅几秒钟就存在。

正如《今日宇宙》在参考这项研究中所写的那样,在去年首次成功创造出这种不稳定的放射性分子之后,物理学家们提请注意由其组成的各种同位素,它们含有不同数量的中子。

为了制造它们,科学家们开发了一种由碳化铀和氟化碳制成的圆盘。在欧洲核子研究中心(CERN)的粒子加速器中被低能质子束击中后,研究人员发现了一个名副其实的新分子乐园,其中包含 5 种不同的 RaF 同位素。

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RaF 同位素 图片来源:网络

为了捕获这些寿命短暂的同位素,物理学家使用了一系列离子陷阱(包括激光和电磁场)来隔离它们,并分别测量了这 5 个分子的质量,以计算它们各自包含多少中子。然后用另一束激光测量每个分子的量子态,令人惊讶的是,一个中子的差异可以对其所在分子的整体量子态产生可测量的影响。

宇宙最大的奥秘

放射性分子是由至少两个或多个原子组成的放射性原子。每个原子都被一团电子包围,这些电子共同在分子中产生一个极高的电场,物理学家们认为这可以增强微妙的核效应,例如破坏对称性效应。然而,除了某些天体的物理过程(如中子星爆炸),这些放射性分子在自然界中并不存在,因此必须人工创造。

为什么宇宙中的物质比反物质多呢

新的研究表明,放射性分子对微妙的核反应很敏感 图片来源:网络

因此,在最新的研究过程中获得的结果表明,诸如 RaF 之类的放射性分子对核反应非常敏感。它们的敏感性可能会揭示更微妙的、以前从未见过的效应,例如微小的核对称破坏特性,这可能有助于解释宇宙中物质和反物质数量之间的差异。

总结

这项新发现,无论对各位看官来说是多么的困难和不可思议,都可能成为解开物质和反物质以及暗能量之谜的关键。然而,科学家们肯定还有很多工作要做,希望中国的科学家也是其中的重要玩家。

也许更大的粒子加速器真的能帮助人类回答关于宇宙的基本问题,谁知道呢?

(本文完结)

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