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1、第二十七章：反粒子，反物质与我们而言并不遥远！灵遁者对立和统一是一个我们熟知的哲学观念，有上就有下，有阳就有阴，有正就有反。在物理学中也不例外，反粒子的发现就是最好的证明，那么什么是反粒子？反粒子的发现能给我们什么启发？首先反粒子是相对于正常粒子而言的，它们的质量、寿命、自旋都与正常粒子相同，但是所有的内部相加性量子数（比如电荷、重子数、奇异数等）都与正常粒子大小相同、符号相反。还有一些粒子的所有内部相加性量子数都为0，这样的粒子叫做纯中性粒子，反粒子就是它本身，比如光子、0介子等。大家要知道，反粒子的概念首先是1928年由英国物理学家狄拉克在他的空穴理论中提出的。1932年在宇宙射线中发现了
2、正电子，证实了狄拉克的预言。1956年美国物理学家欧文张伯伦（Owen Chamberlain）在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子。进一步的研究发现，狄拉克的空穴理论对玻色子不适用，因而不能解释所有的粒子和反粒子。根据量子场论，粒子被看作是场的激发态，而反粒子就是这种激发态对应的复共轭激发态。如果反粒子按照通常粒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。后面会给你讲反物质的概念。那么有哪些常见的反粒子呢？正电子、反质子、反中子、反中微子、反介子、反超子等都是反粒子。再强调一遍，反粒子与所对应的粒子在质量、自旋、平均寿命和磁矩大小都相同；如果带电。两者所带电量相等而符号相反
3、。磁矩和自旋的取向关系也相反。反粒子与所对应的粒子相遇就发生湮灭而转变为别的粒子。一切粒子均有其相应的反粒子，如电子e-的反粒子是正电子e+，质子p的反粒子是反质子，中子n的反粒子是反中子，1959年王淦昌领导的小组发现的反西格码负超子是-的反粒子。有些粒子的反粒子就是它自己。如光子、0介子和介子。一些中性玻色子如光子、0介子等，其反粒子就是它们自己。所以说除了某些中性玻色子外，粒子与反粒子是两种不同的粒子。上面已经介绍了，反粒子最早是1928年P.A.M.狄拉克理论上预言正电子而提出的，1932年被C.D.安德森实验发现而证实；1956年美国物理学家张伯伦在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质
4、子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速过的高能粒子对相撞，发现在突然间成对出现了几道轨迹，又在短时间内相撞而互相湮灭，这是人们第一次直接观测到反粒子。正反粒子是从场论的观点来认识的，场的激发态表现为粒子，与之对应，场的复共轭激发态表现为反粒子。当光子的能量大于某种粒子静能的两倍，在一定的条件下就可以产生正反粒子对；反之，正反粒子相遇可湮灭并产生两个光子或 三个光子，遵从质量-能量守恒和动量守恒。如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的是应该存在质子的反粒子、中子的反粒子。1956年美国物理学家张伯伦等在加速器的实验中，发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子。
5、接着又发现了反中子。后来发现，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子。光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理学中，已不再采用狄拉克的空穴理论来认识正反粒子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识。迄今，已经发现了几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子。如果反粒子按照通常粒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。反物质又是什么概念？物理学上指反原子核由反质子和反中子组成的带负电荷的物质。反核子（反质子和反中子）组成反原子核，反原子核和正电子组成反原子，各种反原子组成各种反物质
6、。对于反物质的探索过程，已经取得了很大成功。下面就是一些实例。1995年欧洲核子研究中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质反氢原子。1996年，美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子。1997年4月，美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现，在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的“反物质喷泉”。由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传过它。美国著名华裔科学家丁肇中也正致力于此。2000年9月18日，欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子，这是人类首次在实验室条件下制造出大
7、批量的反物质。欧洲原子研究中心的科学家们在欧洲当地时间的2010年11月17日表示，通过大型强子对撞机，他们已经俘获了少量的“反物质”。当然，这些“反物质”只是少量的反氢原子而已，但这一发现也是引发了科学家极大的反响。位于日内瓦的欧洲核子研究中心一直以来也在为破解这一难题而不懈的努力。欧洲核子研究中心拥有世界上能量最高的粒子对撞机大型强子对撞机，这一对撞机的使命就是探究宇宙的起源，寻找那些未经证实的可能存在的物理现象。在17日研究人员宣布，在经过了不懈的努力之后，大型强子对撞机终于发现了几十个氢原子的反物质。罗布汤普森教授表示：“尽管发现的只是反物质的冰山一角，但这毫不影响这一发现的重要性，这
8、是一次重大的突破，有利于我们更好的了解宇宙的性质和起源”。英国自然杂志网站17日刊登研究报告说，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家成功制造出多个反氢原子，并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功“抓住”反物质原子。来自英国的斯旺西大学的查尔顿教授最后对于这一发现做了自己的论述：“现在的宇宙基本是由普通物质所垄断，但我们必须要了解宇宙的全貌，否则我们可能身处危险之中却全然不知，氢是宇宙中最重要的元素，发现它的反物质，具有非凡的意义。”氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中
9、的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”约017秒。这个时间听起来似乎仍然很短，但对于科学家来说，这个时间长度已十分难得，可以对反氢原子进行较为深入的观测和分析。因此，这一成果被看作是物理学领域的一大突破，将大大推动有关反物质的研究。反物质是一种人类陌生的物质形式，在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的。反物质和物质是相对立的，会如同粒子与反粒子结合一般，导致两者湮灭并释放出高能光子或伽玛射线。2011年5月初，中国科学技术大学与美国科学家合作制造了迄今最重反物质粒子反氦4。2011年6月5日欧洲核
10、子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过15分钟。同时在自然界也有反物质的能动能效-反应为反物质凝聚。我国上海光机所利用飞秒拍瓦激光装置和高压气体靶相互作用产生大量高能电子，高能电子和高Z材料靶相互作用，由韧制辐射机制产生高强度伽马射线，伽马射线再和高Z原子核作用产生正负电子对。正电子谱仪经过精心设计，成功解决了伽马射线带来的噪声问题，利用正负电子在磁场中的不同偏转特性，实验中在单发条件下就成功观测到了正电子。这是我国首次报道利用激光产生反物质。由丁肇中主持的反物质研究已有16个国家的科学家参与其中，投入的资金更是高达1000多亿美元。许多科学家表示：只要能发现宇宙反物质的存在，那么这将
11、是当之无愧的诺贝尔奖。人类已经向太空发射探测器，该探测器已于2005年发射升空并永久停留在太空，东南大学还将建立一个数据接收分析中心和培训中心作为配套项目。丁肇中认为，如果反物质确实存在，当正物质与反物质碰撞时可以产生巨大的能量。他所主持的“寻找宇宙中的暗物质和反物质”的研究已进行多年，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。”丁肇中很慎重地表示。反物质至今都是物理学领域的一大谜团。我们周围环境中的物质是正物质，它由原子组成，原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反，由带负电的质子和带
12、正电的电子组成的物质就是反物质。读到这里，你要提问吗？你不问我，我来问你。虚粒子和反粒子的区别是什么？通过上一章，以及前面的几章，我们知道粒子可以分两种：费米子和玻色子。而在物质间交换的携带力的粒子因为他们不像实粒子那样可以用粒子探测器检测到，故称虚粒子。但他们具有可测量的效应。在上一章有一个关于库伦力的例子，就很形象。而在量子真空中，其场的值必须有一定的最小的不确定性量或量子起伏，人们可以将这些起伏理解为光或引力的粒子对，他们在某一时刻同时出现，互相离开，任何又相互靠近而且互相湮灭的这些粒子正如同携带太阳引力的虚粒子。（或者说，由于这些粒子瞬时存在不能被观测到，称之为虚粒子。）至此都可以理解
13、。而反粒子是粒子作用过程中明确产生的粒子。你可以理解为反粒子出现是对粒子作用平衡的因子。大家已经看到了，反粒子是存在的，反物质也是存在的。关于反物质，反粒子的理论观点，就是再写10万字也总结不完。大概是从两个方面进行研究和推测的。一个是从宇宙大爆炸方面，认为宇宙爆炸之处正反物质是等量的，现在太空中就有磁谱仪来检测反物质。目前还没有检测到太空的反物质。另一个是从实验室获取方面来研究的。难点主要是反物质的难追寻，难保存。这两个点使得反物质的实际应用还比较遥远。 就两个点的内容，我不安照现有的理论来给大家讲了。因为我自己是不赞同的。看过我另一本科普书籍变化的朋友，肯定知道为什么。首先我在变化中说过，
14、组成物质的基本粒子形态，应该有“正，中，反”三种形态。也符合现在的研究，也符合现在的哲学体系。反物质，反粒子的存在，不是人类的悲哀。虽然这种“反物质危险论”是存在的。宇宙大爆炸理论值得怀疑，很多点不能自圆其说。何况我们对于宇宙还没有一个整体的认识，就不能说宇宙是膨胀的。我们现在看到的只能说是局部。所以宇宙大爆炸初始正反物质等量的概念，我自然是不认同的。是的，我们周围环境，都是正物质环境。反物质一出现，就会和正物质发生湮灭。但情况远远没有那么简单，我们周围的环境是正物质环境，不代表没有一处环境，不适合反物质存在。所以大规模的反物质一定有存在的空间。在浩瀚的宇宙中，只要我们人类活的够久，走的够远，
15、就一定能够找到。而且现在物理的规则显示，他们不应该是等量的。宇宙是一个开放的系统。这也是我在变化中的观点。一个开放的系统是不会有熵寂的。假如宇宙是一个封闭的系统，又假如宇宙正是从大爆炸产生，而且正反物质等量，那才是人类的悲哀呢。一个封闭的系统，必然走向熵寂，人类自然也是昙花一现。这样考虑的话，我们还可以有一个大胆的推测。我们周围的物质都是正物质，也可以说是“同类物质”。“同性相斥”在电磁学里我们学过。引力又是宇宙中最弱的力。我们一般认为磁场的延伸范围是无限远的。那我们现在所处的宇宙环境就是很多个磁场组成的“大磁场”。那么在“同性相斥”的情况下，也能得出引力不足以拉住周围的星系，看到宇宙是膨胀的
16、！其实这个假设的漏洞也明显，那就是如何解释离我们越远的星系，膨胀速度越快。造成此原因的相干性理论也能有很多。所以我们要拆开来讲，是很复杂的。大家可以先去看看变化中关于宇宙大爆炸的内容观点。但想到了这个推测，我们还应该想到一个问题：那就是辐射和电磁场，或电磁波的关系。大家好好想想这个问题，下一章我们就这个问题来讨论一下。一定能给你耳目一新的感觉。所以宇宙大爆炸和暗物质理论是有很多疑点的，也是我为什么要一再强调的。因为该理论对我们已经是耳濡目染，影响深入骨髓了。但它所指向的方向，令我更加迷惑了，而不是清晰了。所以我要说出这些话来。在这里着重强调，用熵的概念来理解正反物质的湮灭是个不错的路径。能量就是这样循环的！反物质虽然不好追寻和保存，但显然比暗物质靠谱多了。暗物质的观点要谨慎，暗物质的观点和大爆炸观点一样不靠谱。所以现在大家去相信老子的
