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宇宙學最大的謎團:對稱性破缺,為什麼幾乎不存在反物質?

2024-02-17 21:01:00

物理學家認為,宇宙中的一切都是由三種基本的物質構建的,它們是質子、中子和電子,這三種物質的排列組合產生了宇宙中的一切。

從地球到火星到仙女座星系,甚至是到宇宙的邊緣,我們依然能看到由這三種基本粒子構成的物質,然而對宇宙學家來說這裡隱藏著一個謎團:為什麼我們的宇宙中有這麼多正物質,反物質卻幾乎不存在呢?

這就是對稱性破缺,即宇宙大爆炸瞬間產生的正物質和反物質的量不一樣,正物質沒有完全湮滅,這才產生了我們看到的宇宙。

反物質聽起來像是科幻小說中的概念,但它是非常真實的,它是粒子物理學標準模型的一個關鍵部分,1932年,Carl D. Anderson在加州理工學院使用雲室和磁場進行的實驗中首次探測到了反物質。

從物理特性上看,反物質除了電子外其他跟正常物質完全一樣,但也正是因為反物質的電子和正常物質相反,所以它們在接觸後就會互相抵消,或者說湮滅,並在此過程中把百分之百的質量變成能量釋放出去,相較之下核聚變的質能轉化率只有0.7%。

後來的研究結果表明反物質的質量和普通粒子完全一樣,研究反粒子受到電磁力的影響時,實驗再次發現它們的行為與普通粒子完全相同,只是電荷相反,但當物理學家開始研究弱相互作用力時,他們意識到反物質粒子和正常粒子存在非對稱性。

儘管反物質在某些方面與物質表現出了不同,但關於它是否遵循與物質相同的重力定律,一直是科學界的一個未解之謎,CERN的物理學家進行了實驗,試圖確定反物質是否與物質一樣受到重力的向下拉扯,或者它是否會表現出不同的重力特性。

在CERN進行的ALPHA實驗中,科學家們首次在地球表面上獲得了反物質的重力加速度的實際資料,實驗結果顯示,反氫原子大約有75%透過實驗室容器的底部逃逸,表明反物質受到向下的重力拉扯。

也就是說在目前的情況下,反物質並不具備反重力,它未來也許只能被當做是質能轉化率百分百的能源,而不是反重力的源頭。

儘管反物質在弱相互作用中與物質表現出了差異,但這些差異並不足以解釋宇宙中物質與反物質的巨大不對稱性,我們仍然不知道在宇宙大爆炸瞬間究竟發生了什麼,為什麼正常物質會比反物質更多。

如果未來我們能掌握反物質的產生和湮滅機制,也許能幫助我們更好地掌握宇宙早期的條件,以及物質和反物質不對稱性的起源,而暗物質和暗能量這宇宙中兩個最大的謎團,也許跟反物質也有一些關係。

總體來看

反物質觸及了物理學的許多基本問題,從宇宙的起源和結構到基本粒子的性質。隨著實驗技術的進步和理論研究的深入,我們對反物質的理解將不斷增進,可能會在物理學乃至其他科學領域引發革命性的變化。

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