反物質(zhì)：另一半宇宙
1998年6月2日北京時間6時4分在美國肯尼迪航天發(fā)射中心，“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機順利發(fā)射升空。“發(fā)現(xiàn)號”此行的目的是為了把多國科學(xué)家共同研制的大型空間探測器――“阿爾法磁譜議”送入太空以探尋理論上預(yù)言的反物質(zhì)的暗物質(zhì)。
眾所周知，我閃的這個世界是由物質(zhì)組成的，而物質(zhì)又是由原子、分子等微觀粒子所構(gòu)成。反物質(zhì)則與之相反，它是由原子、分子的反粒子，即反原子和反分子所構(gòu)成，因此，反物質(zhì)具有與物質(zhì)完全相反的性質(zhì)。
反物質(zhì)這一要領(lǐng)的提出由來已久，但它首先要從正電子的預(yù)言與發(fā)現(xiàn)說起。早在1928年，英國物理學(xué)家狄拉克在嘗試將20世紀的最重要原理――相對論與量子力學(xué)結(jié)合起來的實踐中就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，并預(yù)言了正電子的存在。而所有這一切則是由狄拉克建立的相對論波動方程中得出負能量值的解引起的。狄拉克在對這個方程求解的過程中共得到了4個描述電子內(nèi)部狀態(tài)的解，用以說明電子應(yīng)當具有4個內(nèi)部狀態(tài)。其中兩個狀態(tài)可以用電子的自旋及自身磁矩的存在加以解釋；但對于方程的另兩個附加解的求解過程中得到的負能量值的解得出了離奇的結(jié)論。這就是說，如果一個電子真的能夠存在于負能狀態(tài)，那么它不會因與其他粒子相碰撞而逐漸減速并最終停下來，而是將加速得越來越快，直到它的速度等于光速。但是，從相對論方程的分析中很清楚地知道，這種性質(zhì)是不可能的。由此，狄拉克提出了他著名的假設(shè)。
他假設(shè)我們平時所謂的真空，其實并不是真空的，而是所有負能級上都有兩個電子的一種系統(tǒng)，所以，真空中就應(yīng)有無窮數(shù)目的電子，并且全部負能級都被電子占滿了。根據(jù)泡利汀容原理，電子不可能躍庭 到某個已被占滿的負能級，所以它只能留在正能級區(qū)聽之任之一個能級上。因此只能是處于負能級睥電子受到激發(fā)后向正能級躍遷。這種過程正如電子正能級跳躍到負能級上的反過程，只要有能量大于能級的光子激發(fā)，是完全可能發(fā)生的。如果它發(fā)生了，那么這個具有正能量的電子將會使其躍遷出的負能級位置上出現(xiàn)一個空穴。怎么解釋這個空穴呢？舉個例子，若我們手上系著幾個充滿氫氣的氣球，就會感覺到手上有一個向上拉的力，如果突然有一個氣球的引線斷了，我們將感覺到向上拉的力減少了，但我們也可以解釋為多了一個向下拉的力。同樣，在負能級狀態(tài)少一個電子的空穴行為就像在那兒產(chǎn)生了一個有正能量的帶正電的粒子，這個粒子正是我們所談的正電子。這樣，人類便第一次從理論上預(yù)言了反粒子的存在。緊接著在1932年，卡爾.安德生通過對宇宙射線的威爾遜去層實驗發(fā)現(xiàn)并證實了正電子的存在。繼安德生發(fā)現(xiàn)正電子后，1955年張伯萊發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，1956年又發(fā)現(xiàn)了中子。20世紀60年代前后相繼發(fā)現(xiàn)一系列反超子，一個又一個板粒子的發(fā)現(xiàn)使人們聯(lián)想到是否所有的粒子都有與之對應(yīng)的反粒子呢？在此后 進行的一系列實險中發(fā)現(xiàn)除了光子等少數(shù)粒子的反粒子是其本身外，所有粒子都有反粒子。人類自古就相信宇宙是對稱的思想不禁又使人們想到了既然粒子能組成物質(zhì)，那么反粒子為什么不會組成反物質(zhì)呢？在當前公認的宇宙起源的大爆炸理論中則明確地提出了反物質(zhì)是存在的，并預(yù)言了宇宙中應(yīng)存在等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。
但是探索反物質(zhì)的道路是艱難的。從發(fā)現(xiàn)第一個反粒子到現(xiàn)在已近70年，其間人們也僅是從實驗中獲得了一些反粒子，并且最近幾年才人工合成了第一反原子――反氫原子。而對于能構(gòu)成反物質(zhì)的其他各類反原子、反分子都還一無所獲，更談不上反物質(zhì)了。產(chǎn)生這些困難的原因在于人們發(fā)現(xiàn)的反粒都是從宇宙射線路獲得的，而宇宙射線要達地球首先要穿過厚達3000千米至4000千米的大氣層，所以射線中的絕大部分反粒子在到達地球前都已與大氣層中的粒子中和了。因而人們所能探測到的反粒子就微乎其微了。而且反粒子都很不穩(wěn)定，很容易和周圍物質(zhì)粒子發(fā)生湮滅。所以，科學(xué)家們認為在現(xiàn)在我們所處的這個物質(zhì)世界中是不可能存在反物質(zhì)的，即使存在也會很快和周圍物質(zhì)相中和，因此，只能把探尋反物質(zhì)的希望寄圩宇宙空間。在宇宙空間深處可能存在一個與物質(zhì)世界完全相反的空間，在那里會存在大量的反物質(zhì)，基于這一考慮，許多國家的科學(xué)家們數(shù)年共同努力下，“阿爾法磁譜議”終于升入太空。經(jīng)過10天的太空航行后，它將對宇宙中是否存在反物質(zhì)做初步探測。到2002年“阿爾法磁譜儀”將被安置到新建的“發(fā)現(xiàn)號”空間站，從而開始對反物質(zhì)的大規(guī)模探測。
反物質(zhì)如果被探明確實存在，那將會是對在此基礎(chǔ)上建立起的現(xiàn)有宇宙起源論及相對論量子力學(xué)理論的最有力的實驗驗證。我們知道根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc^2，物質(zhì)減少的質(zhì)量將會轉(zhuǎn)化為能量?，F(xiàn)在的核反應(yīng)正是利用了這一點，但核反就不能使質(zhì)能完全轉(zhuǎn)化；而物質(zhì)與反物質(zhì)相中和，因其毛主席出的是零質(zhì)量的r光子，所以其質(zhì)量將會完全轉(zhuǎn)化為能量。1千克鈾235完全裂變釋放出的能量相當于2000噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時所放出的化學(xué)能。而同等質(zhì)量的物質(zhì)與反物質(zhì)中和放出的能量則是鈾235的3200多倍！因此探索反物質(zhì)對于能源相對短缺的現(xiàn)代社會亦有著重要大意義。而一旦探測結(jié)果表明宇宙中并不存在反物質(zhì)，那么，這將是對現(xiàn)有理論的一個不對理論物理的基礎(chǔ)進行最徹底的修改。
