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理解反物质

失踪:半个宇宙。最后一次出现:137亿年前

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1931年,害羞而才华横溢的英国物理学家保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 预测了一类被称为反物质的奇特粒子。当加州理工学院的卡尔·安德森 (Carl Anderson) 迅速证实了他的预测后,狄拉克本应家喻户晓,但他对公开露面的厌恶——他几乎拒绝了诺贝尔奖——阻碍了媒体的关注。如今,只有严肃的科学爱好者才知道他,尽管反物质是现代物理学一些最深奥谜团的核心。

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尽管反物质带有晦涩难懂的含义,但理解它却非常简单。在大多数方面——例如质量——反物质粒子与物质粒子是相同的。主要区别在于它们的电荷相反。反物质原子核是负的而不是正的,并且被正电子(即带正电的电子,而不是带负电的电子)围绕。

事实上,两者如此相似,以至于没有人能解释为什么物质会如此彻底地主导着它近乎孪生的存在。几乎所有的宇宙大爆炸模型都表明,137亿年前我们宇宙的爆炸性开端应该产生等量的反物质和物质,然而除了在粒子加速器中短暂出现之外,我们没有看到任何“反物质”的迹象。那么,所有的反物质都去哪儿了?

在地球上无法隐藏大量反物质。当反物质接触物质时,两者会在剧烈的能量爆发中消失。狄拉克曾推测,大量的反物质可能藏匿在宇宙遥远的角落。当时这似乎是可行的:一个由反物质组成的星系将与一个普通星系无法区分。甚至光谱分析也无法区分它们。

如今,天文学家们非常确定,太空深处也很少有反物质。电子和正电子的接触会产生伽马射线,其能量特征为511,000电子伏特。如果存在反物质星系,它们会与弥漫在星际空间中的普通粒子相互作用,在星系周围产生一个伽马射线能量光晕。研究人员进行了搜索,但没有发现这样的光晕。我们生活在一个以物质为主导的宇宙中。

目前对这种不平衡的最佳解释是,与长期以来的理论相反,物理定律略微偏向物质。这一观点在去年得到了一个支持,当时斯坦福直线加速器中心的团队观察到某些物质和反物质粒子行为之间存在微小但明显的差异。这一结果可能暗示着物理定律中内嵌了对物质的偏好。

这真是件好事。一个含有大量反物质的宇宙将是一个危险的地方。当物质和反物质相遇时,结果是100%高效的 E = mc2 质量到能量的转化,比爆炸的氢弹还要高效143倍。如果一个一盎司的弹珠与一个等量的反弹珠碰撞,反应将释放500亿万亿尔格的能量,足以照亮美国所有的灯泡一天。一场反物质流星雨将如同地狱之火降临我们的星球。

即使是微量的反物质也会产生戏剧性的结果。1997年,一架安装在轨道上的康普顿伽马射线天文台的探测器分析了我们银河系中心附近的一个正电子喷泉。这些反粒子会湮灭它们遇到的任何电子,产生一股向外延伸约3,500光年的伽马射线漩涡。如果你拥有伽马射线视觉,银河系的中心——本月夜幕降临后在西南方低空可见——将是一个明亮发光的云团。

这种活动的来源与任何已知天体都不符。美国海军研究实验室的詹姆斯·卡弗斯 (James Kurfess) 表示:“一些理论家认为暗物质可能正在产生反物质。但由于银河系中正电子的寿命是数百万年,它们也可能来自一次古老的中子星爆发。” 翻译:没人知道。

康普顿天文台于2000年退役,但一个名为Integral的欧洲新伽马射线天文台正在继续这项探索。银河系反物质喷泉的起源是本世纪最令人着迷的谜团之一。可惜狄拉克已经不在了,无法害羞地享受它。

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在地球上,反物质可以在粒子加速器中产生,但数量极少。目前全球年产量为百万分之一微克;其价值相当于每盎司约一千万亿美元。主要的储存反物质是反氢原子,最早于1995年合成。

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