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反物质世界去哪了?

编者按:关于反物质,我刊从1997年第11期《反地球在哪里?》到2017年第8期《反物质之谜》,二十年来多次从各个方面介绍了反物质,下面这一篇文章对反物质的去向做了与众不同的解释。

问题的提出

你知道有个反物质世界吗?因为有物质就有反物质——现在科学家已“造”出了反氢原子——我们生活在物质世界,那么就有个反物质世界,那反物质世界去哪了?

物质与反物质同时诞生于宇宙大爆炸,似乎应该是成对出现的,然而,我们今天所能观察到的宇宙全部由物质组成,却几乎找不到反物质的踪影。

物质与反物质在宇宙中的含量存在如此极端的差异,其中的缘由物理学家还不得而知。也许,宇宙诞生时反物质的含量就是极少的;也许,宇宙的某个范围是物质世界,另一个范围是反物质世界,而人类只是偶然居住在物质世界里。

如果后一种情况是真的,即,宇宙在大爆炸之后也产生了一个拥有大量反氢和反氦的反物质世界。那么,这个遥远的反物质世界演变到今天会是什么样子呢?

奇异的反物质世界

按照物理学理论,反物质与物质之间最基本的区别在于两者带有相反的电荷,比如,一个质子带有一个正电荷,而一个反质子则带有一个负电荷。如果反物质与物质互为镜像,只存在电荷符号的差异,那么反物质世界的演变过程与我们物质世界所经历的演变过程不会有什么不同。宇宙中的反氢和反氦会凝聚成反物质恒星,并在反物质恒星的核心中融合出更重的反物质元素,然后,宇宙中还会出现反物质行星甚至反物质生命。

而当反物质生命仰望天空时,看到的景象很可能与我们所看到的景象相同。因为2017年,物理学家已经生产出了反氢,并且首次对反氢原子进行了激光光谱分析,结果发现,反氢原子的光谱与氢原子的光谱完全吻合。所以,一个反物质太阳会发出与我们的太阳同样的光,而这些光也会反射出一个与月亮同样明亮的反物质月亮。

不过,上述这一情景都是建立在“反物质与物质互为完美镜像”的基础之上的,但是,反物质与物质之间很可能还有一些其他方面的微妙差异。

怪问题的怪解释

比如,反物质也许不具备常规质量,导致它们之间的相互作用不是“万有引力”,而是“万有斥力”。在这种情况下,反物质宇宙将永远不会形成恒星或星系,而只会充满反氢和反氦的云气。又比如,中微子是不带电荷的,物理学家原本认为反物质的中微子等同于物质的中微子,但现在发现两者其实略有不同。中微子有一种螺旋属性,物质的中微子是左旋的,反物质的中微子是右旋的。

这点差异本来不算什么大事,但1956年,美籍华裔女物理学家吴健雄曾经观察过钴-60原子的放射性衰变,她发现了具有左旋属性的原子和具有右旋属性的原子会以不同的速率衰变。物理学家设想,如果反物质与物质的螺旋属性是相反的,那么两者的衰变速率将会是不同的。这也许就是我们为什么在宇宙中看不到反物质的原因——它们的质子可能早就衰变成轻子了。

所以,如果存在反物质世界,那反物质世界去哪里了?

它也许存在于遥远宇宙的彼端,有着与我们的世界完全一样的风景;

它也许散布在广袤的宇宙空洞中,除了轻元素气体外别无他物;

甚至,反物质世界早已衰变消亡了,它的遗迹可能就在我们身边。

当然,物理学家更倾向于认同第一种可能性,毕竟,“万有斥力”以及“质子衰变”的假设都太大胆了。但目前,物理学家只能在实验室中获取只有毫微克量级的反物质,而且很难将它长时间保持在稳定状态,所以,物理学家还无法对反物质进行充分研究以推翻后两种可能性。不过,如果这些难题有一天被物理学家破解,那将是石破天惊的事件。

 

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