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为什么物质比反物质多?


写下狄拉克方程、预言了反物质存在的保罗·狄拉克因为狄拉克方程而获得了1933年的诺贝尔物理学奖。当年,狄拉克在他的诺贝尔奖演讲《电子和正电子的理论》的结束语中,说到:

 

如果我们接受了正电荷与负电荷关于基本自然规律完全对称的观点,我们必须接受地球(以及整个太阳系)主要由负电子和正质子构成只是一个巧合。很有可能有一些星体正好相反,是由正电子和负质子构成的。事实上,宇宙中这两类星体可能各占一半。这两类星体应该展现出完全相同的光谱,以至于我们现有的天文观测手段完全无法将它们区分开来。

 

然而,事实却与狄拉克的猜想大相径庭。正如我在《什么是反物质?》一文中提到的那样,如果宇宙中有宏观的反物质结构,那么正反物质之间会有一条边界,而这个边界上就会有大量的正反物质湮灭,进而释放出巨大的能量。然而人类并没有观测到这个边界,因此,我们的宇宙很有可能仅由正物质主导组成。

 

真的是这样吗?如狄拉克所说的那样,正反物质的光谱应该是一样的,我们在地球上无法直接判断观测到的遥远宇宙深空中天体是正物质还是反物质组成的,但是,宇宙为我们送来了来自宇宙深空的“信使”,那就是宇宙射线。我们可以在地球上接受的到来自宇宙深空的宇宙射线,科学家们也在地球表面建立了很多探测宇宙射线的实验,并且已经在宇宙射线中观测到了大量的反物质粒子。但是,这些反物质粒子真的是从宇宙深处来的吗?

我们知道,地球的表面周围有一层大气层。虽然大气层里看似空洞无物,但事实上大气中充斥着各种各样的气体分子。来自宇宙的高能宇宙射线在通过大气层的时候,不可避免的会和大气中的气体分子产生撞击,并通过一些高能反应产生新的粒子,这些粒子中既有正物质粒子,也有反物质粒子。所以,在地球表面所接收到的反物质粒子并不能说明宇宙射线本身就来自于反物质。

 

那么,怎样才能排除大气层的影响对宇宙射线进行观测呢?方法很简单,那就是去太空观测。1995年,华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中就提出了在太空建立一个探测暗物质和反物质的粒子探测器的计划。

 

1998年,丁肇中带领的团队完成了第一版太空探测器的设计,他们把这个探测器命名为阿尔法磁谱仪(AMS-01),并在当年6月份由发现号航天飞机送上了太空。

AMS-01在太空上探测了氦原子核以及它的反粒子的数量。因为氦原子核相对比较复杂,如果发现了它的反粒子,那几乎不可能由正物质通过核反应产生的,因此如果反氦原子核被发现,就可以作为宇宙中存在宏观的反物质结构的证据。但是,AMS-01的结果发现,宇宙空间里的射线中氦原子核有非常多个,但是反氦原子核却一个都没有。

为了更进一步的研究宇宙中的暗物质和反物质,丁肇中带领的团队又研制出了AMS-01的进化版,AMS-02。这一次,丁肇中的团队不仅将它送上了太空,还安置在了国际空间站上,这样AMS-02就能长久的在宇宙空间中收集数据了。从2011年5月AMS-02被安置到国际空间站上至今,它已几乎连续收集了近十年的数据。然而,AMS-02的数据仍然表明,宇宙中没有宏观的反物质结构存在。


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