大家觉得反物质真的存在吗?

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反物质的确实是存在的,从提出到发现再到目前的理论也是一段非常有意思的历史。不过在说明反物质之前,要首先区分反物质和暗物质这两个概念: 反物质:任何物质都有反物质,反物质的电荷等性质与正物质相反,质量相同,比如电子与正电子,除了电荷符号相反外其它性质均相同;光子的反物质就是其自身; 暗物质:为了解释宇宙学观测中现象与理论不符而提出的一种分布在宇宙中的不可见物质,目前为止暗物质只是一种假设,也没有任何的实验观测表明暗物质存在。

1、提出反物质

(在现代理论中)反物质最先由狄拉克(Dirac,为什么我会想到迪达拉呢o((⊙﹏⊙))o)提出的。在20世纪初提出发展的量子力学解决了很多低能下的非相对论性的系统问题,但是却不适用于高能的相对论性粒子或系统。比如说,在很多情况下, 粒子数是不守恒的,但是在量子力学的基本假设中就暗含着粒子数守恒,因此量子力学就无法描述粒子产生和消失的情况。

狄拉克通过对比牛顿力学与相对论力学的关系,自然的想把量子力学推广到相对论性量子力学。在量子力学中,最重要的是薛定谔方程: \\hat{H}\\psi=E\\psi , 其中 \\hat{H}=\\frac{\\hat{p}^2}{2m} 为哈密顿算符,其实就是牛顿力学下的动能的形式,而狄拉克推广的想法简单地说就是把这个能量变为相对论中的能量: (\\hat{p}^2+m^2)\\psi=E^2\\psi , 其中把光速设为1了。这个方程的解就可能对应着两个能量,即 +E 和 -E ,狄拉克把负能量解释成反物质。狄拉克对此提出了“狄拉克海”,以电子为例,他认为宇宙中充满了电子,和海洋一样,但是某些电子可能由于某些原因被激发出海平面,这样这个电子原来的位置就留下一个空穴。这个空穴相对于充满电子的空穴来说,就是带正点的正电子。当然现在我们知道这种解释并不是正确的。反物质的存在实际上是非常自然的,是时空对称性的要求。关于物质与反物质的关系在量子场论中有完整详细的描述。

2、发现反物质

1932年,安德森发现了正电子。安德森从1930年开始跟密立根做宇宙射线的研究工作。从1930年起安德森负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场, 并快速拍下粒子径迹的照片,然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。1932年8月2日,安德森在照片中发现一条奇特的径迹,这条径迹和负电子有同样的偏转度,却又具相反的方向(右图),显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断,又不可能是质子。于是他果断地得出结论,这是带正电的电子。狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了。 (本段来源于发现正电子----中国科学院)

3、反物质在哪

一说到反物质,就会想到反物质和正物质会湮灭,会觉得其与生活中的物质距离非常远。但是实际上,从某种意义上说,反物质无处不在。

根据物理学中的相关知识可以知道,我们的宏观世界几乎都是由原子或分子构成的,原子质量几乎都集中在原子核中,原子核由质子和中子构成,而原子核中的质子中子之间是有非常强的相互作用的,而传递这种相互作用的粒子中就含有反物质(反夸克)。所以,从这种意义上说,反物质存在于所有的宏观物质中。

pi0中就有反u夸克和反d夸克 反物质在我们所生活的环境中不能产生,但是在实验室中却很容易产生,也就是在对撞机中,比如CERN的LHC,北京的北京正负电子对撞机BEPC等,在一次对撞中,会产生成千上万的反物质粒子产生,也就是说反物质每天都在实验室中产生。

4、反物质去哪了

但是,根据目前的粒子物理标准模型和粒子场论,正物质与反物质是完全对称的,而如果大爆炸的时候正反物质是一样多的话(目前大家普遍相信这一点),理论上说现在的宇宙中正反物质也是一样多的,但是实际的观测却没有看到宇宙中有反物质,这就非常迷了。目前有很多理论来试图解释这件事情,但是没有一个能非常完美的解释。


北小漫


反物质确实是存在的。它是由反电子、反质子和反中子构成。

在上世纪20年代,英国物理学家狄拉克推出了他的狄拉克公式,这个公式将相对论引入了量子力学领域,它是描述自旋为1/2的粒子的一个波函数方程。在这个方程中就预言了存在着反粒子。

图:保罗.狄拉克



在1929年,查尔斯·珍妮特完成了完整的反物质元素周期表。在1932年,美国物理学家卡尔·安德森在实验中就发现了正电子的存在。1955年,加州大学柏克莱分校物理学家埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦通过粒子加速器,而发现了反质子的存在。

反电子是带有正电荷的电子,其他性质和电子一样。反质子是带有负电荷的质子,是由两个上反夸克及一个下反夸克所组成。反中子和中子质量一样,也不带电荷。反中子分别由两个反下夸克和一个反上夸克构成。



图:中子(上)和反中子

反物质有反粒子构成,它们遇到正物质后会发生湮灭,将正物质和反物质的全部质量转换成能量,能量的多少可由爱因斯坦的质量方程得到:E=mc²。

根据理论,在宇宙大爆炸之初,产生的正物质和反物质是一样多的,一部分正反物质相互之间发生了湮灭。剩下的物质组成了今天的宇宙。

但为什么正物质远远多于反物质呢?这个问题被称为“正反物质对称性破坏”。这个问题至今无解。


讲科学堂


存在。pet的工作就是反物质的应用。


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