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宇宙中的反物质
2022-10-13

量子理论的早期成就之一就是预言了反粒子的存在,无论是已发现的粒子还是理论上预言的粒子,都有一个共同的特点:每一种粒子都有一种相应的反粒子.粒子和反粒子的质量相同,而其他一些性质(如电荷等)却正好相反.在比原子更小的基本粒子尺度上粒子和反粒子是高度对称的,它们总是形影不离,缺一不可.然而,一旦大于这个尺度,却出现了强烈的不对称性.我们的地球、太阳系和银河系都是"正"粒子组成的"正"物质.那么反物质又在何处呢?

在银河系中,我们可以断言没有反物质构成的恒星.否则,广大的星际介质就会与反物质发生湮灭,从而产生数量远超过观测值的γ射线.然而在星系际空间深处可能有反物质存在,甚至可能有由反物质构成的反恒星组成的反星系.但是银河系以外的星系究竟是由物质还是反物质组成的,现在还无法判断.因为我们对遥远星系的知识完全来源于它们发出的光子,而光子的反粒子就是它本身.因此即使是反物质组成的星系,其光学性质也与我们的星系相同.

然而即使反星系存在,它们与星系之间必须由真空隔开,否则就要发生强烈的湮灭反应.现在我们知道星系际空间的许多区域被稀薄气体占据着.

同这些气体的相互作用使得湮灭在反物质区域不可避免,从而产生可观测的超量γ射线.

可是我们并未发现这种特别现象.因此,至少目前我们推断:宇宙看来基本上是不对称的,物质大大超过反物质.

著名的物理学家温伯格等人把大爆炸宇宙理论和基本粒子大统一理论合在一起对这一问题进行了探讨.他们认为在极早期宇宙中,物质和反物质的

数量必定几乎相等.辐射场大量产生粒子——反粒子时,偶尔也有极少的质子和电子掺杂在这个炽热的环境中,每1亿个光子和粒子对只多出1个质子.

但是,随着辐射的冷却和粒子对的湮灭,每个光子能量减少,过剩的物质最终变为主要的成分.结果,原子现在构成了质量密度的主体.

宇宙创生的最初一刹那,宇宙曾经是高度对称的,即正反粒子数大致相等.然而,为什么早期宇宙有这么一点儿不对称而导致在今天反物质如此之少呢?这是大爆炸宇宙学理论的未解之谜.也正因为如此,物质的我们才出现在这个世界中,这也是宇宙的奇妙之处吧.

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