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數(shù)學(xué)和物理學(xué)的關(guān)系非常密切，它們兩個(gè)就像在一個(gè)屋檐下住了很多年的老朋友，物理學(xué)的定律需要數(shù)學(xué)來描述，比如大家都知道的——E=MC2，物理學(xué)的問題也需要通過數(shù)學(xué)計(jì)算來解答，比如彗星多長(zhǎng)時(shí)間造訪一次地球，這就好像英語是莎士比亞的語言，而數(shù)學(xué)是物理學(xué)的語言，如果說你不懂?dāng)?shù)學(xué)，你就會(huì)覺得閱讀物理學(xué)家寫出來的東西是非常痛苦的事，當(dāng)然也有一類人，他真的不懂?dāng)?shù)學(xué)，又喜歡對(duì)物理學(xué)上的問題侃侃而談。 從另一個(gè)方面來說，物理學(xué)也使數(shù)學(xué)變得更有用，如果說沒有物理學(xué)數(shù)學(xué)將僅僅設(shè)計(jì)抽象的概念，比如說虛數(shù)，物理學(xué)還能激發(fā)數(shù)學(xué)家去探索新的數(shù)學(xué)問題，比如說弦理論是物理學(xué)終極理論的一個(gè)備選，它的發(fā)展就為數(shù)學(xué)領(lǐng)域注入了很多新的見解，有的時(shí)候直覺會(huì)成為我們理解物理世界的障礙，這時(shí)候我們最好就去求助于數(shù)學(xué)的引導(dǎo)，所以當(dāng)我們?cè)噲D理解量子粒子的怪異行為的時(shí)候，數(shù)學(xué)就成了我們的救星，在這些情況下我們能做的就是跟著數(shù)學(xué)走，只要你把數(shù)字都算對(duì)了，就可以相信數(shù)學(xué)會(huì)比直覺更接近現(xiàn)實(shí)，在直覺上可能覺得量子粒子不可能穿越障礙，但如果數(shù)學(xué)上講的通，那么這些就是可能發(fā)生的事，但是事情也不總是這樣，有時(shí)候數(shù)學(xué)與此的結(jié)果不符合物理學(xué)的理論，這個(gè)時(shí)候我們就不能單純的依靠數(shù)學(xué)的了。  舉例說明： 投遞一個(gè)以拋物線形式投射的系統(tǒng)，那么要多快的速度發(fā)射一個(gè)物體，才能讓它們沿著拋物線軌跡落在指定的位置呢？ 要計(jì)算這個(gè)問題，需要求解一個(gè)二次方程，這個(gè)方程的形式就類似于y=ax2+bx+c，因?yàn)檫@個(gè)方程里有一個(gè)x2，所以會(huì)得到兩個(gè)解，這兩個(gè)解呢，有一個(gè)是物理解，它會(huì)告訴你怎樣發(fā)射這個(gè)物體，而另一個(gè)解給出的卻是毫無意義的答案，它會(huì)告訴你，你的初始速度應(yīng)該是負(fù)的，也就是說你要把這個(gè)物體向后直接往地里扔，那這個(gè)解在數(shù)學(xué)上是正確的，但它是不合乎常理的物理解，這種情況之所以會(huì)出現(xiàn)，是因?yàn)閿?shù)學(xué)模型沒有設(shè)置物理約束，比如說物體沒法穿越堅(jiān)固的地面，再反過來說，你拋射的物體可能在天空中碎成塊，造成安全隱患，這些也沒有體現(xiàn)在數(shù)學(xué)模型中。  在大多數(shù)情況下，聰明的物理學(xué)家很快就可以選出它們需要，它們對(duì)這種事也算是習(xí)以為常了，他們會(huì)馬上丟掉在物理上講不通的數(shù)學(xué)結(jié)果，因?yàn)槲覀冄壑械挠钪娌皇悄莻€(gè)樣的，可是剛才說過的這些話，仔細(xì)一想，其實(shí)它是矛盾的，一開始既說看待物理不能相信直覺，要相信數(shù)學(xué)，然后又說當(dāng)有兩個(gè)解的情況下，我們要拋棄那個(gè)不符合直覺的解，這兩個(gè)事不是矛盾的嗎？這個(gè)就是本文要說的，聊一聊，復(fù)數(shù)的解，怎樣讓人們發(fā)現(xiàn)了反粒子和反物質(zhì)，今天的故事從“保羅·狄拉克”說起。 狄拉克方程這位物理學(xué)家為了了解量子力學(xué)中高速運(yùn)動(dòng)的電子，對(duì)一些方程式進(jìn)行了研究，在狄拉克之前，在量子力學(xué)這個(gè)領(lǐng)域，物理學(xué)家已經(jīng)整理出了低速運(yùn)動(dòng)的電子方程，在20世紀(jì)初量子力學(xué)的革命性成就就已經(jīng)讓人腦洞大開了，人們由此重新思考物質(zhì)在最小尺度上的自然屬性，量子力學(xué)，迫使物理學(xué)家放棄了他們一直以來最簡(jiǎn)單最根深蒂固的假設(shè)，這個(gè)假設(shè)有兩條： 第1條：事物不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方。 第2條：精確重復(fù)兩次同樣的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該出現(xiàn)相同的結(jié)果。 通過推翻這種經(jīng)典的假設(shè)，20世紀(jì)初的物理學(xué)家就徹底改變了我們的宇宙觀，而且這樣的改變還不止一次，除了量子力學(xué)的哲學(xué)狂想之外，這個(gè)時(shí)期還出現(xiàn)了相對(duì)論革命，相對(duì)論證明了宇宙的速度極限，人們忽然發(fā)現(xiàn)時(shí)間居然是相對(duì)的，幾個(gè)不同的人竟然有可能沒法就同一件事兒發(fā)生的情況達(dá)成一致，狄拉克就仔細(xì)觀察了這兩個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)果，它們正確描述了兩種不可思議的物理學(xué)理論，他問自己如果把它們結(jié)合在一起會(huì)怎么樣呢？于是他就建立了一個(gè)方程，這個(gè)方程的名字就叫——狄拉克方程。  這個(gè)方程就以量子力學(xué)和相對(duì)論的雙重角度描述了高速運(yùn)動(dòng)的電子，這個(gè)方程非常簡(jiǎn)潔而且清晰，只是它存在一個(gè)小問題，狄拉克發(fā)現(xiàn)它的方程對(duì)待負(fù)電荷的普通電子是成立的，同時(shí)它對(duì)帶有相反電荷也就是正電荷的電子也成立，這也就是說它的方程表明物理學(xué)的定律對(duì)帶有正電荷的電磁它也是成立的，它將這種正電子成為——反電子。 這種反電子在很多方面都和電子一樣，它的質(zhì)量和普通電子相同，量子特性也和普通的電子相同，但是它的電荷和普通電子相反，這個(gè)就讓人有些迷惑不解了，因?yàn)槿藗儚膩頉]有見過這樣的粒子，按照物理學(xué)家的常規(guī)做法，有人就可能傾向把這個(gè)結(jié)果歸為一種數(shù)學(xué)假象，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)忽略它，但是這個(gè)引起了狄拉克的極大興趣，如果這不僅僅是數(shù)學(xué)出現(xiàn)的錯(cuò)誤而是現(xiàn)實(shí)情況的反應(yīng)，畢竟沒有哪條物理學(xué)定律禁止反電子的存在。 事實(shí)上，狄拉克審視了這個(gè)方程并提出所有粒子都具有相應(yīng)的反粒子，就這樣狄拉克不止預(yù)測(cè)了一種新粒子，他還預(yù)測(cè)了整整一系列的新粒子，表面上看這種想法有點(diǎn)瘋狂，每一種粒子都有相反的版本，這樣的想法雖然非常瘋狂，但是他碰見還就真是對(duì)的。  反粒子在最小尺度上體現(xiàn)了物理學(xué)中的對(duì)稱事實(shí)上科學(xué)家已經(jīng)多次觀察到了反粒子，就在狄拉克提出這個(gè)想法不久之后，反電子就被探測(cè)到了，如今幾乎每一種我們知道的帶電粒子都被證實(shí)擁有反粒子，反粒子很容易在粒子碰撞中出現(xiàn)，歐洲有一個(gè)核子研究組織叫——CERN，每年都有幾皮克的反粒子被創(chuàng)造出來，這個(gè)皮克是一個(gè)非常小的單位，來自太空的宇宙射線有時(shí)候也會(huì)攜帶反粒子，有時(shí)會(huì)在和大氣相撞的時(shí)候產(chǎn)生一些反粒子，但是這些反粒子只在轉(zhuǎn)瞬之間就又都消失了。 反粒子在最小尺度上體現(xiàn)了物理學(xué)中的對(duì)稱，把粒子、反粒子想象成硬幣的正反兩面，不要認(rèn)為它們是兩個(gè)互不相關(guān)的東西，其實(shí)宇宙中的一個(gè)粒子不只擁有一位親兄弟，每一個(gè)物質(zhì)粒子都有兩個(gè)更重的表親，比如說電子有——繆子和陶子，它們與電子有著幾乎相同的量子特性，也就是電荷和自旋，但是質(zhì)量更大，電子已經(jīng)有好幾位親戚了，它既有比較重的表親又有反粒子，而且這些比較重的表親，當(dāng)然也有它們自己的反粒子。  還有一種更神奇的解釋，有一種超對(duì)稱的猜測(cè)提出粒子還有第3種鏡像叫——超粒子。它類似于原來的粒子，但是量子的自旋不同，宇宙中到處都是哈哈鏡量子的模樣以不同的方式被復(fù)制和扭曲，但是這些粒子帶來了更多的問題，為什么我們的粒子會(huì)有孿生的版本呢？而為什么反粒子又不常見呢？ 在一些科幻小說中有這樣的設(shè)定，一個(gè)粒子碰到它的反粒子會(huì)發(fā)生爆炸，這聽起來有點(diǎn)荒唐，但實(shí)際上這一點(diǎn)被證明是真的，當(dāng)一個(gè)粒子遇到它的反粒子同胞的時(shí)候，它們可不是擁抱一下就得了，它們會(huì)彼此毀滅，這兩個(gè)粒子會(huì)消失，它們的質(zhì)量會(huì)完全轉(zhuǎn)化成為某種高能的作用力攜帶粒子，比如說光子或者是膠子，這個(gè)過程稱為——湮滅。原來的粒子將蹤跡全無，這不僅發(fā)生在電子和正電子身上，也發(fā)生在夸克碰到反夸克，繆子碰到反繆子的時(shí)候，把孿生的粒子放到一起，就會(huì)看到一次能量的大爆發(fā)，質(zhì)量中存儲(chǔ)著很多的能量，這可是一件非常重要的事兒。 眾所周知，愛因斯坦的質(zhì)能方程也就是E=MC2，讓人們明確了解能量和質(zhì)量的關(guān)系，光速C已經(jīng)是一個(gè)很大的數(shù)值了，這里還要加一個(gè)平方，所以一點(diǎn)點(diǎn)的質(zhì)量就承載了相當(dāng)大的能量，當(dāng)兩個(gè)粒子完全湮滅的時(shí)候，里面存儲(chǔ)的巨大能量被釋放出來，一克反粒子和一克正常粒子結(jié)合在一起可以釋放超過4萬噸的爆炸當(dāng)量，比美國(guó)在二戰(zhàn)中投向日本的(小男孩）的威力還要大一倍，一克是多少呢？差不多就是半顆普通的方糖，你可以想象半顆方糖和半顆反方糖就構(gòu)成了規(guī)模的能量釋放。  湮滅的概念可能對(duì)你來說這個(gè)概念有些陌生，一個(gè)物體變成一股能量，也并不是我們每天能看到的景象，那么兩個(gè)東西在一起湮滅到底是一個(gè)怎樣的過程呢？是不是只要它們互相靠近碰到一起，然后砰的一聲就全都變成能量了，請(qǐng)你記住啊，這些粒子是量子力學(xué)意義上的物體，它們實(shí)際上并不是什么小圓球，有時(shí)候你可以把粒子當(dāng)成小圓球，有的時(shí)候你需要使用量子波動(dòng)的圖像，這兩種解釋粒子的方法都有缺點(diǎn)和不靠譜的情況，當(dāng)我們說兩個(gè)粒子足夠近的時(shí)候，這兩個(gè)粒子沒有接觸，實(shí)際上它們也沒有什么表面，你可以換個(gè)思路想想它們量子力學(xué)特性的疊加，兩個(gè)粒子會(huì)消失，并且進(jìn)入另外一種能量的形式，大多數(shù)情況下它們都變成了光子，在這種能量里也可能誕生其他種類的粒子，具體情況取決于能量的大小，這就是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中發(fā)生的事，科學(xué)家讓普通的常見的粒子碰到一起，從而產(chǎn)生新型的粒子，在某種程度上粒子的相互作用最終都會(huì)使原來的粒子湮滅并產(chǎn)生新的粒子。 粒子和反粒子作為擁有相反電荷的兩個(gè)鏡像的版本，它們的相互作用有什么特別的地方呢？ 它們會(huì)相互吸引，所以更容易碰到一起，因?yàn)樗鼈儙е姾上喾?，而且它們還完美互補(bǔ)，這意味著它們會(huì)湮滅為某種中性的粒子，比如說不帶電的光子，當(dāng)粒子相互作用的時(shí)候，某些東西是守恒的，比如說人們就發(fā)現(xiàn)電荷并不會(huì)憑空出現(xiàn)，也不會(huì)憑空消失，粒子在相互作用的前后總電荷是相同的，這又是為什么呢？我們并不知道，我們不知道這背后是什么，只是在實(shí)驗(yàn)中看到了這樣的模式并且把它納入理論當(dāng)中。  當(dāng)一個(gè)電子和它的反粒子正電子互相靠近的時(shí)候，相反的電荷會(huì)將它們拉得更近，一旦碰上相反的電荷就會(huì)完全抵消，兩個(gè)粒子也會(huì)煙消云散，光子就登場(chǎng)了。而如果兩個(gè)電子相互靠近，那它們的負(fù)電荷就會(huì)互相排斥，如果通過某種方法成功地克服了它們互相的排斥力，那么會(huì)得到一個(gè)凈的負(fù)電荷，電荷在碰撞前后是守恒的，所以這時(shí)候不可能出現(xiàn)光子，而電荷也不是我們觀察到唯一守恒的東西，你可能想知道是不是任意兩個(gè)帶有等量相反電荷的粒子都能相互湮滅呢，比如說一個(gè)帶有負(fù)一電荷的電子和一個(gè)帶有正一電荷的反繆？ 答案是不能的。 我們的宇宙似乎還有另外一個(gè)法則，電子性和繆子性也必須守恒，不能用一個(gè)不是電子的東西來毀滅一個(gè)電子，只能用一個(gè)電子的反粒子去做這件事，同樣電子的表親——繆子和陶子也是一樣的。 除了這個(gè)性質(zhì)，還有很多東西都是守恒的，比如說組成微粒夸克的數(shù)量必須是3個(gè)夸克，這一點(diǎn)在發(fā)生變化的前后也必須是守恒的，這個(gè)守恒叫做——3夸克性，所有的這些守恒都是科學(xué)家在觀察粒子相互作用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的，把這些守則彼此結(jié)合嵌套在一起，就發(fā)現(xiàn)似乎只有粒子和反粒子的碰撞能互相湮滅，那為什么宇宙中有這些奇怪的法則呢？ 我們還是不知道，也許有一天我們能夠證明這些法則，宇宙法則只不過是更深層次之下簡(jiǎn)單粒子行為得到的一個(gè)自然結(jié)果，但是現(xiàn)在來說反粒子一定藏著宇宙基本法則的重要線索。  反粒子就是正常粒子的影子孿生它們?cè)谝黄饡?huì)湮滅彼此，實(shí)際上反粒子可以像正常的粒子那樣結(jié)合到一起，生成中子和質(zhì)子這樣更復(fù)雜的粒子和反粒子，比如說把兩個(gè)反下夸克和一個(gè)反上夸克組成在一起，生成一個(gè)反中子，這樣得到的反中子仍然是電中性的，但是它內(nèi)部是由反粒子構(gòu)成的，也可以把兩個(gè)反上夸克和一個(gè)反下夸克組成一個(gè)反質(zhì)子，除了帶負(fù)電，反質(zhì)子和質(zhì)子是一樣的，因?yàn)樗彩怯煞戳Ｗ訕?gòu)成的。 一旦擁有了反電子、反質(zhì)子和反中子，就可以進(jìn)一步造出反原子，一個(gè)帶正電的反電子和一個(gè)帶負(fù)電的反質(zhì)子和它們所對(duì)應(yīng)的正常粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一樣的，只不過所帶的電荷是相反的，如果同時(shí)得到了一個(gè)反電子和一個(gè)反質(zhì)子，那這個(gè)反電子就會(huì)圍繞著反質(zhì)子旋轉(zhuǎn)，接下來就可以得到了一個(gè)反氫原子，也就是說如果把足夠多的反粒子組在一起，就可以得到任何反的東西。  舉例說明： 可以用兩個(gè)反氫原子和一個(gè)反氧原子組成反水，反水的外觀觸感和性質(zhì)，它和正常的水是沒有什么差別的，但是如果你喝掉它你就會(huì)立即爆炸，因?yàn)槟愕纳眢w中都是正水。 如果你能制造出反水，你十有八九也能制造出任何原子和分子的相反的版本，或許你還可以制造反化學(xué)構(gòu)成、反蛋白質(zhì)和反DNA，也許這個(gè)世界上還有一個(gè)由反物質(zhì)構(gòu)成的地球，也許有一個(gè)人和你長(zhǎng)得一模一樣，但是那個(gè)人是由反物質(zhì)構(gòu)成的，這個(gè)人可能開著一輛反物質(zhì)車生活在反物質(zhì)房子里，甚至此時(shí)此刻就拿著一臺(tái)反物質(zhì)的手機(jī)在和你一樣在看這篇文章。 實(shí)際上我們的物質(zhì)沒有本質(zhì)上的物質(zhì)性，反物質(zhì)也沒有什么反物質(zhì)性，如果情況顛倒過來，我們由反粒子組成，那么我們很可能就把我們這個(gè)反世界叫做物質(zhì)，而把正常的粒子稱為——反物質(zhì)，因?yàn)槟侵皇俏覀兊亩x而已，換句話說，說不定我們自己才是反的呢，當(dāng)然了，無論我們?cè)趺礃尤グl(fā)揮自己的想象力，都必須正面回答一個(gè)問題，這些反物質(zhì)都在哪里呢？ 我們知道反粒子是存在的，狄拉克方程很好地描述了它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)下的行為，但這并不意味著我們完全了解它們，實(shí)際上我們宇宙的這個(gè)奇怪現(xiàn)象引出的問題其實(shí)比答案更多，比如說我們只是觀察了幾個(gè)粒子，并不代表我們能推導(dǎo)出由它們組成物質(zhì)的所有的特性，那么反物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)、質(zhì)地、味道、顏色等等方面和正物質(zhì)是不是一樣的，反粒子和粒子在受引力影響的時(shí)候表現(xiàn)是一樣的還是相反的呢？最大的問題是為什么我們的世界是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成的呢？就我們實(shí)際觀測(cè)到的情況來看，物質(zhì)和反物質(zhì)之間有一個(gè)非常大、非常重要、也非常明顯的區(qū)別，物質(zhì)是無處不在的，而反物質(zhì)幾乎看不到，也就是說我們的宇宙擁有的物質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)，如果說物質(zhì)和反物質(zhì)相等而且互相為相反的版本，那我們就會(huì)期待在宇宙大爆炸中有同樣多的粒子和反粒子出現(xiàn)，按照這個(gè)思路想下去看看會(huì)有什么結(jié)果。  物質(zhì)和反物質(zhì)之間數(shù)量的巨大差異如果每個(gè)正常的粒子都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的反粒子，那么最后所有的粒子都會(huì)與它們的反粒子相碰，并且彼此湮滅，宇宙中所有的物質(zhì)都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾?，?dāng)然了因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在看到的宇宙并不是只有光子，所以我們知道事情并不是這樣的，也就是說在宇宙大爆炸的過程中，物質(zhì)的出現(xiàn)一定遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)的出現(xiàn)，現(xiàn)在科學(xué)上對(duì)這種不平等有2種解釋。 第1種解釋：在宇宙大爆炸的時(shí)候產(chǎn)生的物質(zhì)比反物質(zhì)稍微多了一點(diǎn)點(diǎn)，絕大多數(shù)的物質(zhì)和反物質(zhì)都湮滅了，但是在反物質(zhì)被耗盡之后，有微量的物質(zhì)遺留了下來，變成了今天的星系、恒星甚至是暗物質(zhì)，這里要知道，暗物質(zhì)和反物質(zhì)它可不是一回事，這種可能性當(dāng)然解釋了我們所看到的情況，但是實(shí)際上它是一個(gè)很偷懶的解釋，轉(zhuǎn)移了核心的概念，它把為什么今天的宇宙是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成的，這樣一個(gè)問題轉(zhuǎn)換成了另外一個(gè)問題，也就是說為什么宇宙最初有更多的物質(zhì)而不是反物質(zhì)，那這個(gè)問題同樣是沒有解答的。 第2種解釋：在這個(gè)解釋里宇宙大爆炸的時(shí)候，有相同的物質(zhì)和反物質(zhì)出現(xiàn)，但是隨著時(shí)間的推移，這些粒子自身的某種性質(zhì)造成了物質(zhì)多于反物質(zhì)的現(xiàn)狀，如果說存在有某種物理機(jī)制，使得反物質(zhì)比物質(zhì)消失的更快，或者說產(chǎn)生物質(zhì)的過程快于產(chǎn)生反物質(zhì)的過程，那么這種可能性就是存在的，粒子一直不停的出現(xiàn)和毀滅，即使粒子和反粒子在出現(xiàn)和毀滅的方式上有一點(diǎn)小小的差別，隨著時(shí)間的推移在總體上也會(huì)產(chǎn)生巨大的不平衡。 第2種解釋看起來可能更有道理，但是宇宙有多大的可能天然地傾向于制造和保存更多的物質(zhì)而不是反物質(zhì)呢，物理學(xué)大題來說是對(duì)稱的，據(jù)我們所知任何正常粒子能做的事兒反粒子也能做，比如說一個(gè)中子可以衰變成一個(gè)質(zhì)子，一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，那一個(gè)反中子也可以衰變成一個(gè)反質(zhì)子，一個(gè)反電子和一個(gè)中微子，第2種解釋說的傾向可能很微小，但是在研究粒子的時(shí)候，物理學(xué)家試圖從物質(zhì)與其自身的反物質(zhì)間的震蕩中尋找粒子間微弱的不平衡，遺憾的是盡管有證據(jù)表明這種不平衡存在，但是還是完全無法解釋，為什么今天看到物質(zhì)和反物質(zhì)之間數(shù)量的巨大差異，總之一定還有什么別的東西可以解釋，物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不平衡，這個(gè)答案藏著另一個(gè)問題的線索，為什么一開始就有兩種粒子呢？但是目前為止我們還不知道答案是什么。  也許宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)是等量的也許我們?nèi)几沐e(cuò)了，也許宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)是等量的，只是被分隔在不同的地方，地球和周圍這些東西肯定是由物質(zhì)構(gòu)成的，這個(gè)沒有錯(cuò)，但是在遠(yuǎn)處也許還有其它區(qū)域是由反物質(zhì)構(gòu)成的，事情會(huì)不是是這樣的呢？ 物質(zhì)和反物質(zhì)非常相似，我們沒有辦法僅從發(fā)出的光來分辨一個(gè)遙遠(yuǎn)的恒星，它是由物質(zhì)還是由反物質(zhì)構(gòu)成的，哪一種恒星都有相同的核反應(yīng)，都會(huì)以同樣的方式產(chǎn)生光子釋放能量。先從近處說起，我們知道地球上并沒有多少反物質(zhì)，因?yàn)榈厍蚴怯晌镔|(zhì)構(gòu)成的，這類的任何反物質(zhì)都會(huì)引發(fā)爆炸，那讓我們稍微往遠(yuǎn)處走一走，地球的鄰近空間會(huì)有比較大的反物質(zhì)區(qū)域嗎？太陽系里會(huì)不會(huì)有反物質(zhì)構(gòu)成的行星呢？ 答案是絕對(duì)不可能，物質(zhì)和反物質(zhì)碰到一起會(huì)發(fā)生什么，如果月球是由反物質(zhì)構(gòu)成的，每當(dāng)月球被流星砸中都會(huì)出現(xiàn)特大爆炸和刺眼的閃光，半顆方糖那么大的流星就可以帶來堪比核爆的影響，而地球和月球每于都被大大小小的普通物質(zhì)造訪，所以我們至少知道月球不是由反物質(zhì)組成的，這一點(diǎn)對(duì)于火星和太陽系的其它天體同樣成立。如果火星是由反物質(zhì)構(gòu)成的，那我們會(huì)經(jīng)?？吹奖ǖ墓庾?，事實(shí)上在一個(gè)物質(zhì)區(qū)域附近有任何明顯的反物質(zhì)聚集，都將看到持續(xù)不斷的湮滅和光子釋放的現(xiàn)象，在太陽系附近沒有看到這樣的情況，所以確信太陽系肯定是由物質(zhì)構(gòu)成的，還有我們已經(jīng)派由物質(zhì)構(gòu)成的物體包括人去探索太陽系了，目前還沒有任何人任何東西變成一股耀眼的能量。 天文學(xué)家擴(kuò)大了探索的范圍，在整個(gè)銀河系里尋找由反物質(zhì)構(gòu)成的天體，到目前為止還沒有看到反物質(zhì)和物質(zhì)相會(huì)產(chǎn)生的耀眼光子，科學(xué)家們甚至還考慮了整個(gè)星系都是由反物質(zhì)構(gòu)成的可能性，但是如果真的有這樣的星系就會(huì)看到物質(zhì)星系和反物質(zhì)星系之間的宇宙空間因?yàn)榱Ｗ拥匿螠缍徽樟?，目前天文學(xué)家已經(jīng)把這項(xiàng)技術(shù)推得足夠遠(yuǎn)了，他們確信我們整個(gè)星系團(tuán)都是由物質(zhì)構(gòu)成的，說白了也就是在我們可觀測(cè)的宇宙里面，如果有一個(gè)很大的區(qū)域是由反物質(zhì)構(gòu)成的，那么從由物質(zhì)構(gòu)成的地球往外推總會(huì)推到有一個(gè)邊界，這個(gè)邊界里面是物質(zhì)外面是反物質(zhì)，如果存在這樣一個(gè)邊界，就一定能看到這個(gè)邊界里發(fā)生大量的物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅的現(xiàn)象，但是到目前為止沒有看到，這些就是對(duì)宇宙進(jìn)行直接觀察的極限了。 關(guān)于更大的事件還不能給出確切的判斷，因?yàn)樾窍祱F(tuán)之間的空曠區(qū)域太大了，就算那里有物質(zhì)和反物質(zhì)相遇，我們也沒法看到，盡管如此宇宙的其他部分仍然更有可能是由普通物質(zhì)構(gòu)成的，如果宇宙是由物質(zhì)星系團(tuán)和反物質(zhì)星系團(tuán)構(gòu)成，那么它們不光是現(xiàn)在應(yīng)該離得很遠(yuǎn)，早期宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)必定也相隔得很遠(yuǎn)，而這又會(huì)引發(fā)一系列新的問題，也就是說在大爆炸剛剛發(fā)生的開始，那個(gè)時(shí)候宇宙的空間還非常的小，這么大團(tuán)的物質(zhì)和反物質(zhì)是怎么樣彼此隔開不發(fā)生湮滅的呢？簡(jiǎn)而言之，在可觀測(cè)的宇宙范圍內(nèi)，任何地方都沒有大量反物質(zhì)存在的跡象，為什么只能看到物質(zhì)卻看不到反物質(zhì)呢，這個(gè)謎題我們?nèi)匀徊恢来鸢浮?/p> 所有的粒子都有對(duì)應(yīng)的反粒子嗎？所有帶電的粒子都有反粒子，這個(gè)沒有問題，但是中性粒子的情況就有點(diǎn)不一樣了，比如說光子就沒有反光子，也許有人會(huì)說光子就是它自己的反光子，這一句說是回答問題，不如說是偷換概念回避了問題，這就好像說你最好的朋友是你自己，這相當(dāng)于是你沒有朋友。 另外Z玻色子和膠子也一樣，你可能注意到了這些都是承載力的粒子，但是帶電的W玻色子也是承載力的它就有反粒子，那為什么有的粒子有反粒子，而有的是沒有呢，這個(gè)問題就沒法解答了，目前只知道帶電荷的粒子它才有反粒子，因?yàn)樵诘依说姆匠汤锼庞胸?fù)數(shù)的解，物理學(xué)家相信帶0個(gè)電荷的中微子很可能是有反粒子的，這種反粒子帶有與弱核力相關(guān)的相反電荷數(shù)也就是——超荷，但是因?yàn)橹形⒆颖旧砭鸵呀?jīng)是一個(gè)很神秘的小粒子了，很難捕捉到它，也很難對(duì)它進(jìn)行研究，所以說不定中微子也是它自己的反粒子，這就像剛才說的，這么說其實(shí)像沒說是一樣的。 如何研究反物質(zhì)呢？ 人個(gè)觀點(diǎn)：可以利用反粒子構(gòu)造反物體，這個(gè)想法當(dāng)然非常吸引人，它不僅很酷還具有啟發(fā)的意義，可以從中了解反物質(zhì)與正常物質(zhì)有什么區(qū)別，這個(gè)也有助于解釋反物質(zhì)為何存在，遺憾的是用反物質(zhì)做實(shí)驗(yàn)是一件極其困難的事，用正常粒子構(gòu)造物體就已經(jīng)很難了。比如要做一塊蛋糕，就需要 10^25個(gè)質(zhì)子。 科學(xué)家們直到最近才成功的讓反質(zhì)子和反電子在實(shí)驗(yàn)室里友好相處，并且產(chǎn)生反的氫原子，早在2010年的時(shí)候科學(xué)家成功地制造出了幾百個(gè)反輕原子，并將它們儲(chǔ)存了大概20分鐘，這個(gè)是一項(xiàng)了不起的技術(shù)成就，但是沒法回答關(guān)于反物質(zhì)的問題，雖然確實(shí)取得了不小的成就，在反物質(zhì)制造和安全儲(chǔ)存技術(shù)發(fā)展的更好之前，但是沒有辦法加深對(duì)反物質(zhì)的了解。目前每年只能在CERN生產(chǎn)幾皮克的反物質(zhì)，也就是說如果想生產(chǎn)出相當(dāng)于1/8顆方糖大小的反物質(zhì)，那么要花幾百萬年的時(shí)間，即便到了那個(gè)時(shí)候，也需要利用電磁場(chǎng)發(fā)明一種不需要接觸的器皿，才能把這個(gè)反物質(zhì)的1/8顆方糖把它儲(chǔ)存起來。 總結(jié)我們現(xiàn)在知道了關(guān)于反物質(zhì)的幾件事：
我們對(duì)反物質(zhì)還不算是一無所知，但是我們不知道的更多：
黃媂結(jié)語科學(xué)里面經(jīng)常會(huì)有一些新的概念，咋一聽的時(shí)候好像是物理學(xué)家憑空編出來的，然后就被科幻小說家寫到他們的作品里面去了，事實(shí)上并不是這樣的，并不是說科學(xué)家編了一個(gè)概念然后拿這個(gè)概念去解決問題，而是先在數(shù)學(xué)上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)解，然后科學(xué)家再造出一個(gè)名詞來給這個(gè)解命名，所以說對(duì)于那些經(jīng)濟(jì)學(xué)或者是社會(huì)學(xué)的問題，普通人可盡情地發(fā)表一下自己的觀點(diǎn)，但是對(duì)于物理學(xué)上的問題，普通人還最好是真的別去爭(zhēng)了，如果說一個(gè)人真的有至于和物理學(xué)家叫板，最好還是先把必要的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握了，才能真正和他們對(duì)話，而作為大多數(shù)的普通人，咱們就是聽一個(gè)熱鬧，開開腦洞也就夠了。 |
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