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2009-05-30 中文Chinese网

反物质:一个奇异的话题

2002年6月31日,一个科学界关注的日子。东南大学与诺贝尔物理奖获得者、著名科学家丁肇中签署合作协议,参与AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)—03型探测器的研究,成为目前我国唯一加入这一世界最前沿科研项目的高校。这也引起了一个引人入胜的话题:有反物质宇宙存在吗?

从哲学角度来讲,这个问题很容易回答。我国古代的太极图似乎也暗示了它的存在,部分天文学家也认为有存在的可能,但现代天文学还拿不出令人信服的证据。否定反物质的人很多,美国宇宙学家施拉姆(Schramm)说:“大多数理论家的直觉,不存在反物质。这意味着如果你找到它,那是一个伟大的发现,证明这些理论家都是错误的。但是最大的可能是,这意味着你找不到它。”

目前,由丁肇中主持的这项研究已有16个国家的科学家参与其中,投入的资金更是高达1000多亿美元。许多科学家表示:只要能发现宇宙反物质的存在,那么这将是当之无愧的诺贝尔奖。该探测器将于2005年发射升空并永久停留在太空,东南大学还将建立一个数据接收分析中心和培训中心作为配套项目。丁肇中认为,如果反物质确实存在,当正物质与反物质碰撞时可以产生巨大的能量。他现在所主持的“寻找宇宙中的暗物质和反物质”的研究已进行多年,目前已取得一些重要成果。“但是,从这一领域发展的历史来看,人们要有思想准备,也许我们会发现意想不到的东西,与原先想研究的东西毫无关系。”丁肇中很慎重地表示。

从拉普拉斯大预言谈起

天体有巨大的引力,在巨大的引力作用下,会发生各类反应,并发光发热。物极必反,拉普拉斯(P?S?Laplace)曾经大胆预言:宇宙中最大的天体有可能是看不见的。当引力随质量增大时,天体会变成一个一无所有的区域,既不发热,也不发光,现在我们称之为“黑洞”(Black Hole)。因此宇宙更多的是由不可见的暗物质或反物质组成,我们肉眼和天文仪器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙结构,这些物质只占宇宙总体的10%,90%的物质是以暗物质或其他结构形式存在。显而易见,对可见物质的巨大引力的存在表明了暗物质或反物质的存在。可是我们用光无法探测到,用红外线、紫外线和X光都无法探觅到它们的足迹。

同样的,对应着现存的星系结构体系,有由相反的反宇宙结构体系存在吗?其实早在1898年,一位英国物理学家就提出:与物质存在一样,有一个镜像对应的反物质存在。受当时科学水平和试验条件的限制,这个反物质概念没有一点事实依据,因此在宇宙深处存在由反物质组成的宇宙恒星云只能属于纯粹意义上的假说。

1997年科学家宣布发现了“银心反物质喷泉”极大地震撼了整个物理学界,使科学家们寻找反物质的热情一下子高涨起来。

1998年6月3日,由丁肇中教授发起的带有全球意义的寻找宇宙反物质事件,使得这一领域一度成为全球科学家最为关注的焦点。

制造反物质

1928年,英国年轻的物理学家,诺贝尔奖获得者狄拉克(P?A?M?Dirac)首次预言存在反粒子。1932年,美国科学家卡尔?安德孙(C?D?Anderson)等在云雾室里研究宇宙现象过程中发现了反电子,并将其正式命名为“正电子”,狄拉克的预言得到科学实验的证实。

狄拉克还预言了其它反粒子的存在。物理学家已先后制造出多种反粒子和反原子核。例如:1955年美国加利福尼亚州立大学伯克莱分校的物理学家张伯伦(O?Chamberlain),使用高能质子同步稳定加速器,用高能质子去轰击铜,结果便制造出了反质子。接着第二年发现了反中子,稍后又有反中微子、反介子、反超子……,其中反西格马超子是我国科学家王淦昌在10吉电子伏同步稳相质子加速器上发现的。

有反粒子必然有反物质,但制造反物质并非易事。事实上,直到1996年初,人类才在日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)首次成功制造一种反物质---9个反氢原子。事隔一年,美国费米(Fermi)加速实验室也成功制造了7个反氢原子……高能物理的发现激励着更多的科学家从事这项重要的基础研究。

目前科学家们制造的反物质虽然不是很多,存在时间还不到400亿分之一秒,但是科学家们已经见到了曙光。如果反氢原子是氢原子的镜像的话,宇宙中就有可能存在反物质天体,虽然它的光谱和普通星系的光谱一样,令我们无法区分它们。自然地,茫茫宇海成为科学家寻找反物质的理想场所。

奇妙的反物质世界

爱因斯坦早年可能也意识到了反物质的存在,从他的研究中我们会发现一些蛛丝马迹。他曾建立了一个物质总能公式:E=√C2P2±M2C2

根据这个公式推算,物质的总能量有正负两个值,这意味着,世界上存在负物质。我们更关心的是,有反物质世界存在吗?这不禁会使人联想到美国电影《费城实验》,其实这个实验是有生活依据的。

1943年12月,美国海军在费城进行了一项秘密实验(The Philadelphia Experiment),试验成功地将以艘驱逐舰及全体船员投入到另一空间。在实验过程中,实验人员启动脉冲和非脉冲器,使船只周围形成了一个巨大的磁场。随后整条船被强磁场所产生的绿色烟雾包围着,船只和船员也开始从人们的视线中消失。军方在停止实验后,却惊奇地发现他们的驱逐舰在眨眼之间已经驶到了远在470公里开外的诺福克(Norfolk)码头。这个实验令很多科学家目瞪口呆。相传,此后一些船员身上仍留有实验的反应,不论在家里,在街上,在酒吧间或饭店里,都会突然地消失又重现,让旁观者惊讶不已。

参与这项实验的吉索普(Morris K?Jessup)博士认为,强烈的磁云能够重新排列人类和物质的分子结构,使其进入另外的时空。

费城实验的进行在科学上具有深远的意义,它不仅证实了自然界中的确有另外的空间存在,同时也表明了将人类及装备暂时投入另一空间的可行性。

可是要是我们找到了反物质世界,并且走了进去,那才真正发现一个奇妙的世界呢。所有的物理定律都要翻个个儿,正如科幻小说家描写的那样,在反物质世界里,力的作用恰好相反,你如想扣起反物质物体,就得把物体向下按;反物质做成的钉子,先要对准墙向外拔它,它才会钻进墙里。我们的基础理论仿佛在一夜间就变了个样,谁也不敢想像在这样的世界里究竟会发生什么或者正在发生什么。

反物质引发的大爆炸

由于反物质与物质是水火不相容的,一旦它们相遇,两者便很快消失,同时释放出巨大的能量和比普通可见光强约25万倍的伽玛射线。这就为那些研究地球上神秘大爆炸的西方科学家找到了借口。

1908年6月30日凌晨7时17分,在西伯利亚通古斯发生了一起相当于数百颗原子弹当量的爆炸,其规模之壮观使得远在伦敦的人连续两个晚上能够看到北部天空所呈现的红色,尽管科学家分别在1921年、1927年和1929年对该地区进行了多学科的联合考察,但令人失望的是,该地区没有发现任何陨石和其它坠落体的残片。

1979年9月22日,美国的军用卫星“贝拉号”在非洲西南拍摄到了一次“强烈的大爆炸”的照片,并于1981年初再次在该地区拍摄到了这一类似“爆炸”现象。令人大惑不解的是:在此之前,只有美、苏 、英三国拥有核能力,且早在1963年三国就签署了地下核试验条约,而“贝拉号”的发射目的正在监视签约国的,那么是谁跑到如此遥远的地方进行核试验的呢?

最近的一次发生在1984年4月29日夜间,荷兰航空公司的868班机在22时30分,日本航空公司第36次航班在23时15分左右,都在途中发现了神秘的蘑菇云,并且还伴随着强烈的白光。同一条航线上另外两架航班也目睹了这神秘的一幕。可是卫星云图则说明天气情况良好。更不可思议的是,调查表明爆炸空域受到了明显的放射污染。

所有这一切,一些科学家都把它归结为反物质爆炸,在未找到宇宙反物质之前,谁也无法找到反驳他们的理由。

黑洞与反物质通道

根据广义相对论引力场方程推出:宇宙中的黑洞是连接两个分离时空区的隧道,假如反物质世界处于另一时空,那么黑洞就可能是反物质世界的通道。但对于黑洞内部我们仍然一无所知,确切地说,黑洞内部就是一个反物质世界,而远非“黑洞无毛理论”(No Hair Theorem)所说的那么简单。

有人把反物质世界和物质世界关系用一张纸条来加以证明。取一张小纸条,完好地把两头粘连起来,试想,如果有一只蚂蚁在外表爬行,它怎样才能进入另一面呢?有两个办法:一是爬过纸带边缘;一是在纸带上打个洞。可是如果我们把纸带的一头旋转180°再粘连上,纸带的两面就变成了一面,蚂蚁只要在纸带上爬行就可以随意地出入纸带内外。如果宇宙是一个整体,我们只要进入黑洞,就可以进入反物质世界。可是至今,我们还从未听人说起曾到黑洞旅游过。
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