案例1暗物质与反物质 FWord文档格式.docx
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宇宙中还有类似“透明的苹果”这样的物质,不论什么光照射在这种物质上,都不受影响地径直穿过。
宇宙中能被观测到的物质,比如星系(Galaxy)、恒星(Star)、气体(Gas)和行星(Planet)都是由能够发光的正常物质组成的。
望远镜之所以能够观测到天体,是由于接收到了来自天体的电磁波(自身发出,或者反射其他天体的电磁波)。
电磁波因其波长不同而具有不同的名称,除了可见光之外,还有红外线、紫外线、X射线、r射线等。
暗物质和普通的物质非常不同,这是一种不与任何电磁波发生相互作用的物质,是绝对看不见的。
因为暗物质不会发出任何光或热,现代的望远镜无法观测到它,它似乎只能通过引力与其他物质发生相互作用。
如何证明暗物质的存在
尽管眼睛看不见暗物质,我们却不能忽视它。
宇宙正是由于这种暗物质的存在,才成了现在的这种样子。
通过间接观测,科学家证实了暗物质的存在,但是现在仍然不能确切地知道它究竟是什么。
迄今为止的所有观测结果都支持这样一种观点,即确实有一种看不见(不与电磁波发生相互作用)的物质,它们具有质量,而且大量稳定地存在于宇宙之中。
查找暗物质首先必须做的,是对天体的观测。
美国能源部斯坦福直线加速器中心(SLAC)Kavli粒子天体物理和宇宙学研究所的科学家们对一个离我们三十亿光年远的子弹星系团(BulletCluster)进行了观测。
子弹星系团是一种不同寻常的宇宙结构,它实际上是由两团星系迎面相遇并彼此穿过而形成的。
由于两个星系团以每小时一亿英里的速度撞到一起,它们内部包含的发光物质由于相互之间存在引力之外的相互作用力,相互挤压而出现减速。
但是两星系团中的暗物质由于相互之间没有这种排斥力,它们并不减速,从而直接穿过。
这就导致暗物质跑到发光物质的前面去了,于是每个星系团就分成了两部分:
暗物质在前,发光物质在后。
研究者们比较了发光物质的X射线图和对星系团总质量的测量结果,从而探测到了暗物质和发光物质的分离。
他们观测了星系团所导致的引力透镜效应(GravitationalLensingEffect)——在这种现象中,从星系团后部星体发出的光由于受到星系团引力的作用而发生偏折,星系团的质量越大光线偏折就越厉害,光线偏折得越大也就说明星系团的质量越大——从而获得了星系团的总质量。
科学家们通过哈勃望远镜(HubbleSpaceTelescope)、麦哲伦望远镜(MagellanTelescope)以及甚大望远镜(VeryLargeTelescope)对光线偏折的测量,能够还原出在子弹星系团中质量的分布情况。
然后他们将之与chandraX射线望远镜拍得的发光物质X射线图进行了比较,结果发现了四个独立的物质团:
其中比较大的两个由暗物质组成,它们从碰撞点加速飞离;
另外较小的两个由发光物质组成,它们在碰撞点附近缓慢地移动。
星系团在空间上分离成两部分证明了两种物质的存在,而它们表现出的巨大差别则显示了暗物质奇异的性质。
同时还要做的另一项工作,是用实验来验证有可能是暗物质的基本粒子是否确实存在。
欧洲核子中心目前正在建设一台巨型加速器“LHC”(大型强子对撞机),准备用这台加速器来加速质子,进行质子的高能对撞实验。
研究者认为:
“正在实施中的COSMOS计划还需要进一步提高测量星系距离的精度,争取得到更加精细的暗物质在宇宙中的分布情况。
把对天体的观测同基本粒子物理学研究结合起来,长期像幽灵一样存在的暗物质之谜,大概在不久的将来就有可能得到破解。
”
寻找暗物质有着重大的科学意义。
如果中微子确有质量,则宇宙中的物质密度将超过临界值,宇宙将终有一天转而收缩。
关于宇宙是继续膨胀还是转而收缩的长久争论将尘埃落定。
——资料来源:
(l)《科学世界》2008年第3期;
(2)SLACPressRelease著,葛韶锋译:
《暗物质被观测到了》(2006年8月23日)。
镜头二:
反物质
1908年6月30日凌晨,俄国西伯利亚通古斯地区发生了一场剧烈的大爆作。
随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响,一片沉睡的原始森林顷刻化为灰烬。
大火吞没了数百公里之内的城镇和生命,融化了冰层和冻土,引起山洪暴发、江河泛滥。
据估计,这次爆炸的威力相当于上百颗氢弹一齐爆炸!
而当时氢弹还未问世。
1979年9月22日,美国的一颗卫星多次拍摄到了发生在西非沿海一带的酷似核爆炸的照片,美国政府几经调查,否定了核爆炸的可能性。
1984年4月29日晚10时许,日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时,副机长突然发现飞机的前方有一团疑似核爆炸的巨大“蘑菇云”,而且急速向四周扩散,当时,荷兰的一架班机和这条航线上的其他两架飞机也见到了这种现象。
降落后,获悉消息的美国当局对这四架飞机及机上人员进行测试,结果没有发现任何放射性污染的痕迹。
反物质的研究者认为,20世纪的这三大不解之谜都证明了一个猜测:
反物质一旦同我们世界的“正物质”接触,便会在瞬间发生爆炸,物质和反物质变为光子或介子,释放巨大能量,产生“湮灭”现象。
反物质的提出和发现
反物质是英国科学家狄拉克(PaulAdrieMauriceDirac)于1928年根据相对论和量子力学理论推测出来的。
狄拉克注意到,在相对论方程和量子电动力学方程中,质量都是成平方出现的,那就是说m2=(m)(m)=(-m)(-m),那么这个负质量是什么意思呢?
于是反物质就被狄拉克这样轻松地从理论上推导出来了。
1933年12月12日,他因此获得诺贝尔物理学奖。
反物质与普通物质不同的是,组成反物质的粒子与组成人们所熟知的一般物质的电荷相反。
反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子。
由反原子构成的物质就是反物质。
反物质正是一般物质的对立面,而一般物质就是构成宇宙的主要部分。
现在,组成物质的12种基本粒子的全部反粒子都已经被科学家在加速器中找到。
发现了带正电的电子,是人们认识反物质的第一步。
1928年,英国青年物理学家狄拉克从理论上首次论证了正电子的存在。
这种正电子除了电性和电子相反外,一切性质和电子相同。
1932年,美国科学家安德森(又译安德逊)在实验室中发现了一种特殊的粒子,它的质量和带电量同电子一样,只是它带的是正电,而电子带的是负电。
因此,人们称它为正电子。
正电子是电子的反粒子。
正电子的发现引起了科学界的震惊和轰动。
它是偶然的还是具有普遍性的?
如果具有普遍性,那么其他粒子是不是都具有反粒子?
于是,科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找的目标。
1955年,美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子。
此后人们逐渐认识到,不仅质子和电子,所有的微观粒子都有各自的反粒子。
后来,科学家们又发现了反中子。
60年代,基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。
一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地“挖掘”了出来。
这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界。
然而问题并不那么简单。
首先,在地球上很难发现反物质。
因为粒子与反粒子碰到一起,就像冰块遇上火球一样,或者一起消失,或者转变为其他粒子。
所以在地球上,反物质一旦碰上其他物质就会被兼并掉。
其次,制造反物质相当困难而且耗费巨大,并且即使制造出反物质,也难以保存,因为地球上万物都由物质构成。
有反物质宇宙存在吗?
美国实验物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪——AMS被送到太空,就是为了寻找太空中的反物质以及由反物质组成的宇宙。
因为反物质和物质相遇就会湮灭,所以无法在自然界找到反物质,必须要到太空深处去寻找。
位于法国和瑞士边界、耗资80亿美元、由2000多名物理学家花费14年时间建造的大型强子对撞机——(LHC),已经在2008年9月10日首次运行,用来探索反物质和宇宙大爆炸开始后万亿分之一秒内宇宙中物质的组成。
丁肇中认为,如果反物质确实存在,那么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。
宇宙中有反物质天体吗?
爱因斯坦早年可能也意识到了反物质的存在,他曾建立了一个相对论动量和能量关系式:
E2=c2p2+m20c4。
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。
粒子实验已证实,正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样,因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核,反核和反电子结合在一起,就能组成反原子。
我们的正物质世界有多少种原子,相应在反物质世界中也能有多少种反原子,而且它们在结构上将是完全没有区别的。
延伸起来讲,大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。
如果宇宙中正反物质为等量,那么这样的反恒星和反星系就应当存在。
因此,这给天文学家提出了一个深刻的问题:
宇宙中有反恒星和反星系吗?
要由观测来分辨远处星系由物质构成或由反物质构成并不容易,至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。
原则上,正物质天体若辐射光子,那么同样的反物质天体应当辐射反光子。
但是光子是纯中性的粒子,因此光子与反光子是同一种粒子。
这样,天文学家通过可见光、射电、X射线或γ射线观测,原则上无法区分目的物是由物质构成还是由反物质构成。
恒星和星系除了辐射光子外,它们还辐射中微子。
中微子与反中微子很不一样,如果天文学家能接收中微子,那么他就能区分物质天体与反物质天体。
可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱,造一个能接收它们的仪器很困难。
今天用这种办法来区分物质天体或反物质天体还办不到。
那么,与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组成的吗?
月亮是离我们最近的天体,由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。
如果月球是由反物质组成的,那么在那位宇航员与月球接触时,湮灭过程早已把他转化为介子了。
这表明月亮是正物质天体。
太阳是人类没有可能登陆的地方。
太阳表面的气体很热,其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度,这就是太阳风的起因。
若太阳是反物质恒星,太阳风就由反原子组成,它吹到行星上,就会和行星的正原子相湮灭。
于是正物质组成的行星会逐渐消失掉,而这种消失过程没有发生,就证明了整个太阳系中没有反物质天体。
这样,如果要存在反物质天体,它至少应在太阳系之外。
根据宇宙大爆炸理论,爆炸形成的物质和反物质应该是对称的,可是我们的宇宙中物质和反物质却是不对称的。
否则它们相互湮灭,也就不会有你我以及这宇宙和宇宙中的一切了。
那么与我们的宇宙物质对称的反物质哪儿去了呢?
1977年,科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。
如果那个地方真的存在,就意味着存在天然的反物质,也意味着人类直接从天然得到反物质是有可能的;
同时,物质与反物质之间的万有斥力,也可以帮助我们解释为什么我们的宇宙在加速膨胀。
1979年,美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空,气球上载有一批十分灵敏的探测仪器,结果,它在高空猎取了28个反质子。
这是在地球以外第一次发现的反物质。
除此之外,人们还在星际空间发现了反物质流。
把眼光放远到整个银河系,人们要问的是:
在这个由千亿个恒星构成的系统中,会有一部分是反恒星吗?
今天人们也已能肯定地回答:
不会有。
我们从地面上能接收到太空中飞行的宇宙射线。
观测统计表明,宇宙射线粒子中的反质子仅是质子的万分之几,并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物,而不是原始的。
此外,宇宙射线中有很少的a粒子(即氦核),但是反a粒子却一个也没有被发现过,这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的。
如果银河系中有反物质恒星,那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭。
湮灭产生的0介子将很快衰变而成γ光子。
因此这种湮灭过程是能够通过对γ射线的观测来发现的。
正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的γ光子,人们知道,银河系中并没有反恒星的存在,整个银河系都是由正物质组成的。
我们的宇宙是由大量星系构成的。
若在远处有反物质组成的星系,原则上也能用同样的道理来发现。
星系之间并不是真空,而是弥漫着很稀薄的气体。
因此,若既有正物质星系又有反物质星系,那么正反物质必会相遇,相遇处必会有湮灭过程发生。
人们特意地寻找相应的γ射线,却没有找到过。
于是得出结论:
在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。
若在更远的地方有这种湮灭发生,由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。
所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。
在这样的结果面前,人们的看法分成了两种。
一种认为宇宙中正反物质应当是等量的,需要从更远处去寻找反物质星系存在的证据。
另一种认为事实已暗示,宇宙中没有大量的反物质存在,需要从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。
继续寻找反物质
1998年的夏天,美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。
它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。
如果宇宙中有等量的物质和反物质,那么在三千万光年之外应有大范围的反星系区存在。
在那里,原始的宇宙射线应是由反质子和反a粒子组成的。
那里的部分宇宙射线粒子会飞进我们这个由正物质构成的区域。
由于星系际大部分区域很空旷,气体的密度约只有每立方米一个质子。
因此反原子核可自由地飞行很长的距离。
这样,放置在地球大气层之外的磁谱仪就能接收到它。
这就是阿尔法磁谱仪计划的基本想法。
上面已提到,人们实际测到的并不只是原始的射线粒子,它也包含由中途碰撞产生的次级粒子。
因此当我们从宇宙射线中发现反质子时,并不说明远处一定有反物质天体区存在。
这些反质子完全可能是次级产生的。
反原子核就不一样,它是由若干个反核子结合而成的复合体,所以不可能是碰撞产生的次级粒子。
因此,如果能从宇宙射线中观测到哪怕只有一个反a粒子,它将是有力的证据,表明远处有反物质天体存在。
阿尔法磁谱仪能同时准确地测定飞入仪器运粒子的质量和电荷。
当太空中有反a粒子飞入磁谱仪,它是容易被分辨出来的。
这正是设计者所期望的事。
阿尔法磁谱仪升空后,它接收到的信息正在陆续送回,其结果无疑非常令人关注。
若阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在,那它肯定是一个里程碑式的成果。
它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体,更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。
在早期宇宙中,正反粒子必是混合的。
按现有的物理理论,没有一种已知的作用力能使它们发生大范围的分离。
因此,如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质,物理学将出现突破性的进展。
XX百科,“反物质”词条
思考与讨论:
1.你认为案例中所说的“暗物质”和“反物质”与马克思主义的物质概念所表达的观点是否相悖?
2.结合案例说明我们应如何坚持马克思主义的物质观?
3.进一步收集资料,谈谈科学家对“暗物质”和“反物质”的探索有什么意义?
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