案例1：暗物质与反物质 F.docx

案例1:暗物质与反物质现代物理学上关于暗物质与反物质的研究和相关理论，极大地开 阔了人们的眼界，改变着人们对物质的看法，丰富了辩证唯物主义物 质观镜头一：暗物质宇宙中大约有1 000亿个星系这众多的星系聚集在一起，形 成了我们所看见的这个宇宙今天这种复杂的“大尺度结构”然而令 人大惑不解的是，在这个宇宙中，我们眼睛所看到的物质数量实在太 少了靠这样少的物质，在宇宙诞生以来的一百几十亿年间根本来不 及形成这样的大尺度结构，更来不及诞生一个个的星系为了解决这 个矛盾，科学家假设宇宙中还存在着大量我们眼睛看不见的“暗物 质”什么是暗物质几十年前，暗物质(Dark Matter)刚被提出来时仅仅是理论的 产物，但是现在，我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分 暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了 1/4， 更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成暗物质就是科学家所说的眼睛看不见其本来面目的一种物质，简 直就像“隐身人”然而，这种看不见的物质确实存在众所周知，我们之所以能够看见物体，全是靠光例如你看见面 前的一只苹果，那是因为苹果表面反射的光进入到你的眼睛的缘故 如果这只苹果是由不反射光的物质所组成，那么你自然就看不到它。

宇宙中还有类似“透明的苹果”这样的物质，不论什么光照射在这种 物质上，都不受影响地径直穿过宇宙中能被观测到的物质，比如星 系（Galaxy）、恒星（Star）、气体（Gas）和行星（Planet）都是由 能够发光的正常物质组成的望远镜之所以能够观测到天体，是由于 接收到了来自天体的电磁波（自身发出，或者反射其他天体的电磁 波）电磁波因其波长不同而具有不同的名称，除了可见光之外，还 有红外线、紫外线、X射线、r射线等暗物质和普通的物质非常不 同，这是一种不与任何电磁波发生相互作用的物质，是绝对看不见的 因为暗物质不会发出任何光或热，现代的望远镜无法观测到它，它似 乎只能通过引力与其他物质发生相互作用如何证明暗物质的存在尽管眼睛看不见暗物质，我们却不能忽视它宇宙正是由于这种 暗物质的存在，才成了现在的这种样子通过间接观测，科学家证实 了暗物质的存在，但是现在仍然不能确切地知道它究竟是什么迄今 为止的所有观测结果都支持这样一种观点，即确实有一种看不见（不 与电磁波发生相互作用）的物质，它们具有质量，而且大量稳定地存 在于宇宙之中查找暗物质首先必须做的，是对天体的观测美国能源部斯坦福 直线加速器中心（SLAC ） Kavli粒子天体物理和宇宙学研究所的科 学家们对一个离我们三十亿光年远的子弹星系团（Bullet Cluster） 进行了观测。

子弹星系团是一种不同寻常的宇宙结构，它实际上是由 两团星系迎面相遇并彼此穿过而形成的由于两个星系团以每小时一 亿英里的速度撞到一起，它们内部包含的发光物质由于相互之间存在 引力之外的相互作用力，相互挤压而出现减速但是两星系团中的暗 物质由于相互之间没有这种排斥力，它们并不减速，从而直接穿过 这就导致暗物质跑到发光物质的前面去了，于是每个星系团就分成了 两部分：暗物质在前，发光物质在后研究者们比较了发光物质的X 射线图和对星系团总质量的测量结果，从而探测到了暗物质和发光物 质的分离他们观测了星系团所导致的引力透镜效应(Gravitational Lensing Effect )——在这种现象中，从星系团后部星体发出的光由 于受到星系团引力的作用而发生偏折，星系团的质量越大光线偏折就 越厉害，光线偏折得越大也就说明星系团的质量越大一一从而获得了 星系团的总质量科学家们通过哈勃望远镜(Hubble Space Telescope)、麦哲伦 望远镜(Magellan Telescope)以及甚大望远镜(Very Large Tel escope)对光线偏折的测量，能够还原出在子弹星系团中质量的分布 情况。

然后他们将之与chandra X射线望远镜拍得的发光物质X射 线图进行了比较，结果发现了四个独立的物质团：其中比较大的两个 由暗物质组成，它们从碰撞点加速飞离；另外较小的两个由发光物质 组成，它们在碰撞点附近缓慢地移动星系团在空间上分离成两部分 证明了两种物质的存在，而它们表现出的巨大差别则显示了暗物质奇 异的性质同时还要做的另一项工作，是用实验来验证有可能是暗物质的基 本粒子是否确实存在欧洲核子中心目前正在建设一台巨型加速器“LHC”（大型强子对撞机），准备用这台加速器来加速质子，进行质 子的高能对撞实验研究者认为：“正在实施中的COSMOS计划还需 要进一步提高测量星系距离的精度，争取得到更加精细的暗物质在宇 宙中的分布情况把对天体的观测同基本粒子物理学研究结合起来， 长期像幽灵一样存在的暗物质之谜，大概在不久的将来就有可能得到 破解寻找暗物质有着重大的科学意义如果中微子确有质量，则宇宙 中的物质密度将超过临界值，宇宙将终有一天转而收缩关于宇宙是 继续膨胀还是转而收缩的长久争论将尘埃落定——资料来源：（l）《科学世界》2008年第3期；（2） SLAC Press Release 著，葛韶锋译：《暗物质被观测到了》（2006年8月23日）。

镜头二：反物质1908年6月30日凌晨，俄国西伯利亚通古斯地区发生了一场剧 烈的大爆作随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响，一片沉睡 的原始森林顷刻化为灰烬大火吞没了数百公里之内的城镇和生命， 融化了冰层和冻土，引起山洪暴发、江河泛滥据估计，这次爆炸的 威力相当于上百颗氢弹一齐爆炸！而当时氢弹还未问世1979年9月22日，美国的一颗卫星多次拍摄到了发生在西非沿 海一带的酷似核爆炸的照片，美国政府几经调查，否定了核爆炸的可 能性1984年4月29日晚10时许，日本一架班机飞抵美国阿拉斯 加时，副机长突然发现飞机的前方有一团疑似核爆炸的巨大“蘑菇 云”，而且急速向四周扩散，当时，荷兰的一架班机和这条航线上的 其他两架飞机也见到了这种现象降落后，获悉消息的美国当局对这 四架飞机及机上人员进行测试，结果没有发现任何放射性污染的痕 迹反物质的研究者认为，20世纪的这三大不解之谜都证明了一个 猜测：反物质一旦同我们世界的“正物质”接触，便会在瞬间发生爆 炸，物质和反物质变为光子或介子，释放巨大能量，产生“湮灭”现 象反物质的提出和发现反物质是英国科学家狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)于 1928年根据相对论和量子力学理论推测出来的。

狄拉克注意到，在 相对论方程和量子电动力学方程中，质量都是成平方出现的，那就 是说m2 =( m )( m ) =(-m )(-m )，那么这个负质量是什么意 思呢？于是反物质就被狄拉克这样轻松地从理论上推导出来了1933年12月12日，他因此获得诺贝尔物理学奖反物质与普通物质不同的是，组成反物质的粒子与组成人们所 熟知的一般物质的电荷相反反质子、反中子和反电子如果像质子、 中子、电子那样结合起来就形成了反原子由反原子构成的物质就 是反物质反物质正是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇 宙的主要部分现在，组成物质的12种基本粒子的全部反粒子都 已经被科学家在加速器中找到发现了带正电的电子，是人们认识反物质的第一步1928年， 英国青年物理学家狄拉克从理论上首次论证了正电子的存在这种 正电子除了电性和电子相反外，一切性质和电子相同1932年，美 国科学家安德森（又译安德逊）在实验室中发现了一种特殊的粒子， 它的质量和带电量同电子一样，只是它带的是正电，而电子带的是 负电因此，人们称它为正电子正电子是电子的反粒子正电子 的发现引起了科学界的震惊和轰动它是偶然的还是具有普遍性 的？如果具有普遍性，那么其他粒子是不是都具有反粒子？于是， 科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找的目标。

1955年，美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质 子此后人们逐渐认识到，不仅质子和电子，所有的微观粒子都有 各自的反粒子后来，科学家们又发现了反中子60年代，基本粒 子中的反粒子差不多全被人们找到了一个反物质的世界渐渐被科 学家像考古般地“挖掘”了出来这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界然而问题并不 那么简单首先，在地球上很难发现反物质因为粒子与反粒子碰 到一起，就像冰块遇上火球一样，或者一起消失，或者转变为其他 粒子所以在地球上，反物质一旦碰上其他物质就会被兼并掉其 次，制造反物质相当困难而且耗费巨大，并且即使制造出反物质， 也难以保存，因为地球上万物都由物质构成有反物质宇宙存在吗？美国实验物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪一一AMS被送 到太空，就是为了寻找太空中的反物质以及由反物质组成的宇宙 因为反物质和物质相遇就会湮灭，所以无法在自然界找到反物质， 必须要到太空深处去寻找位于法国和瑞士边界、耗资80亿美元、 由2 000多名物理学家花费14年时间建造的大型强子对撞机一一 (LHC )，已经在2008年9月10日首次运行，用来探索反物质 和宇宙大爆炸开始后万亿分之一秒内宇宙中物质的组成。

丁肇中认为，如果反物质确实存在，那么当正物质与反物质碰 撞时可以产生巨大的能量他现在所主持的“寻找宇宙中的暗物质 和反物质”的研究已进行多年，目前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宇宙中有反物质天体吗？爱因斯坦早年可能也意识到了反物质的存在，他曾建立了一个 相对论动量和能量关系式：E2 = C2p2+m2C4根据这个公式推算，物0质的总能量有正负两个值，这意味着，世界上存在负物质粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样， 因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核，反核和反电子 结合在一起，就能组成反原子我们的正物质世界有多少种原子， 相应在反物质世界中也能有多少种反原子，而且它们在结构上将是 完全没有区别的延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星 和星系如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系 就应当存在因此，这给天文学家提出了一个深刻的问题：宇宙中 有反恒星和反星系吗？要由观测来分辨远处星系由物质构成或由反物质构成并不容 易，至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。

原则上，正 物质天体若辐射光子，那么同样的反物质天体应当辐射反光子但 是光子是纯中性的粒子，因此光子与反光子是同一种粒子这样， 天文学家通过可见光、射电、X射线或Y射线观测，原则上无法区 分目的物是由物质构成还是由反物质构成恒星和星系除了辐射光 子外，它们还辐射中微子中微子与反中微子很不一样，如果天文 学家能接收中微子，那么他就能区分物质天体与反物质天体可惜 中微子与任何物质的相互作用都很微弱，造一个能接收它们的仪器 很困难今天用这种办法来区分物质天体或反物质天体还办不到 那么，与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组成的吗？月亮是离我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登 陆过如果月球是由反物质组成的，那么在那位宇航员与月球接触 时，湮灭过程早已把他转化为介子了这表明月亮是正物质天体太阳是人类没有可能登陆的地方太阳表面的气体很热，其中 热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度，这就 是太阳风的起因若太阳是反物质恒星，太阳风就由反原子组成， 它吹到行星上，就会和行星的正原子相湮灭于是正物质组成的行 星会逐渐消失掉，而这种消失过程没有发生，就证明了整个太阳系 中没有反物质天体。

这样，如果要存在反物质天体，它至少应在太 阳系之外根据宇宙大爆炸理论，爆炸形成的物质和反物质应该是对称的， 可是我们的宇宙中物质和反物质却是不对称的否则它们相互湮灭， 也就不。