拨开反物质的“乌云”
导言： 反物质、暗物质之谜是悬浮在物理天穹之上的四朵“乌云”之一。所谓四朵“乌云”，是指物理学最前沿的研究课题，也是困扰全世界物理学家的物理学难解之谜，其中还包括类星体的超高能量、寻找自由夸克、超引力和超
反物质、暗物质之谜是悬浮在物理天穹之上的四朵“乌云”之一。所谓四朵“乌云”，是指物理学最前沿的研究课题，也是困扰全世界物理学家的物理学难解之谜，其中还包括类星体的超高能量、寻找自由夸克、超引力和超对称。在近十年的时间里中国科学家与各国科学家一起，正在携手解读这朵“乌云”。
阿尔法磁谱仪——人类第一次太空物理实验
阿尔法磁谱仪是以探索空间反物质、暗物质和载人探空过程中辐射对人体的影响为主要目的的大型国际合作科学实验项目，是人类送入宇宙空间的第一个大型物理探测仪器。
目前，阿尔法磁谱仪实验已经取得了一些重要成果，并有意外发现。这些成果和发现，将有助于人类进一步探索宇宙中的最基本粒子，认识宇宙的起源。
阿尔法磁谱仪-01于1998年6月随“发现”号航天飞机升空。此次飞行中阿尔法磁谱仪各子探测器工作正常，性能达到了设计目标，能正确区分各种原子核及其电荷。阿尔法磁谱仪首次飞行收集了2亿多个事例，其中80%为质子，20%为各种原子核，获得了许多重大物理成果，重大发现包括地球赤道上空正电子与负电子之比为4:1，首次观察到宇宙线的第二个质子谱，赤道上空氦3远远多于氦4等。此外将反氦存在的上限降低到10－6。这是人类第一次在宇宙空间中直接测量的带电粒子，具有重要的科学意义，也为阿尔法磁谱仪在国际空间站长期运行奠定了基础。
中国科学院外籍院士丁肇中，这位至今工作在科学最前沿的诺贝尔奖得主在题为《寻找宇宙中的最基本粒子》的报告中说，阿尔法磁谱仪显示的一系列现象，首次表明赤道上空400公里处存在一个围绕地球的质子环，质子环中向各个方向飞行的粒子强度相同，处于动态平衡状态。
让科学家感到意外的是，研究结果显示，赤道附近的正电子比负电子多一倍，而传统理论认为，宇宙是中性的，由数量相同的正电原子核和负电子组成。太空中，氦原子核的成分应该是氦4占90%，氦3占10%。但这一实验发现，在赤道附近，有一个特别区域中只有氦3。这不能不说是一个奇怪现象。
目前，阿尔法磁谱仪-02的研制正在按计划顺利进行，2008年它将被发射升空，进行新一轮的反物质和暗物质探索。
阿尔法磁谱仪-02将是国际空间站上惟一的科学实验，它是一项富于原创性的重大前沿基础研究项目。它的主要目标是精确测量高能宇宙线的能谱，寻找反物质以及暗物质，测定宇宙射线中各种元素和同位素的含量，研究在飞往外星球过程中宇宙空间辐射对人体的影响，研究γ射线物理以及捕捉新的奇异物理现象。
狄拉克的预言——科学还是科幻
英国著名的物理学家狄拉克早在1928年就预言了正电子的存在，他把正电子比作在真空的大海中生成的一个气泡。他觉得电子和它的反粒子——正电子都是从虚无中创生而来，或者说，电子一旦与正电子相遇彼此便会消失得无影无踪。半个世纪以来，狄拉克的预言曾得到一片喝彩声，这倒不是因为他发现了一个真理，而是人们——大都是科学幻想家对他的奇思妙想佩服得五体投地。于是反物质从此成了离奇的科学幻想作品的绝好素材，所谓反物质宇宙、反物质人、反物质炸弹、反物质推进……从人们的头脑里源源不断地演绎出来。
根据相对论和万有引力定律，在宇宙的很多区域中，仅以我们能观察到的“亮物质”的质量计算，不可能产生现在观测到的这么大的引力，由此推断，要么是牛顿、爱因斯坦错了，要么存在既不发光、也不反光的暗物质，而且它们占宇宙总质量的比例高达90%。它们在哪里？它们由什么构成？人们一无所知。宇宙中究竟有没有反物质？现在还不清楚。按目前公认的假设，大爆炸会产生质量相同、电性相反的两种物质，有人认为反物质大量存在，只存在于遥远的反物质宇宙中。有无反物质在地球上没法找到答案，因为反物质一旦进入大气层就“湮灭”了，只有到宇宙中研究，才能搞清反物质的真相。
如果反物质世界距我们并不遥远，那里生成的反质子和反氦原子核就会以宇宙线的形式，往来于星河系，其中极微量的反粒子也许会来到地球。反氦原子核是物质世界中的粒子在碰撞等过程中不能生成的，如果我们从宇宙线中发现了反氦原子核，那么我们就算拿到了反物质世界存在的证据。
如果反物质世界在我们的近旁不存在的话，那么科学家观测到反质子又来自何方呢？科学家倾向于认为，反质子是宇宙中若干中基本粒子发生反应的产物，如果情况确实如此，由于科学家从宇宙线中仅检测到极稀少的反质子，那倒可以认为为探索发生在宇宙空间的，令人感兴趣的基本粒子反应创造了契机。
在现代宇宙理论中，宇宙是从“虚无”状态诞生的，随即经历了急速膨胀，形成一个超高温的火球——“大爆炸宇宙”。大爆炸宇宙充满极高能量。在这种高能状态下，可能产生了大量大质量粒子，此后随着宇宙的膨胀，在温度下降的过程中，这类大质量粒子崩解成为质量较小的粒子，在这时候生成了粒子和反粒子。如果这时产生的粒子与反粒子数量相同，那么随着宇宙空间温度下降，粒子和反粒子就会相遇并湮没，同时释放出Ｘ射线，介子和光，以及极大的能量。情况果真如此，最终宇宙中就不会存在粒子和反粒子，银河系和地球当然也就不会存在了。然而，当这类质量相当大的粒子崩解时，极微弱的粒子与反粒子的平衡会被打破，比如从比例上来说，对应1亿个反粒子，生成的粒子数是1亿个加1个，很快，1亿个粒子与1亿个反粒子相遇湮没，留下1个粒子，于是剩余的粒子聚集成为物质，进而形成了充满宇宙的星系和各种天体。科学家认为，这微不足道的粒子与反粒子数量上的区别，导致了大质量粒子崩解时被称为“CP对称性破缺”的基本粒子现象。
上面谈到的“CP对称性破缺”在整个宇宙中都无例外，可以认为，整个宇宙都是由粒子构成的。不过，如果这种“CP对称性破缺”只发生在宇宙的局部，那么宇宙的某个空间里就有可能生成大量的反粒子，这样一来由反粒子构成的星系和种种天体，也就是说反物质世界不就产生了吗？我们不妨想象：宇宙某个范围是物质世界，另一个范围是反物质世界，而我们人类只是偶然居住在物质世界里。
宇宙中充满了用光和电磁波无法观测到的“暗物质”，暗物质的全部质量估计有可见物质全部质量的几十倍。暗物质究竟为何物，目前仍不清楚，不过关于基本粒子的“超对称论”所预言的超对称性粒子，有可能被认定为暗物质。如果超对称粒子就是暗物质的话，它们就会在银河系内以0.01倍的光速往来奔突，这种超对称粒子彼此碰撞，就有可能在产生极微量的质子的同时，产生反质子。
阿尔法磁谱仪——人类第一次太空物理实验
阿尔法磁谱仪是以探索空间反物质、暗物质和载人探空过程中辐射对人体的影响为主要目的的大型国际合作科学实验项目，是人类送入宇宙空间的第一个大型物理探测仪器。
目前，阿尔法磁谱仪实验已经取得了一些重要成果，并有意外发现。这些成果和发现，将有助于人类进一步探索宇宙中的最基本粒子，认识宇宙的起源。
阿尔法磁谱仪-01于1998年6月随“发现”号航天飞机升空。此次飞行中阿尔法磁谱仪各子探测器工作正常，性能达到了设计目标，能正确区分各种原子核及其电荷。阿尔法磁谱仪首次飞行收集了2亿多个事例，其中80%为质子，20%为各种原子核，获得了许多重大物理成果，重大发现包括地球赤道上空正电子与负电子之比为4:1，首次观察到宇宙线的第二个质子谱，赤道上空氦3远远多于氦4等。此外将反氦存在的上限降低到10－6。这是人类第一次在宇宙空间中直接测量的带电粒子，具有重要的科学意义，也为阿尔法磁谱仪在国际空间站长期运行奠定了基础。
中国科学院外籍院士丁肇中，这位至今工作在科学最前沿的诺贝尔奖得主在题为《寻找宇宙中的最基本粒子》的报告中说，阿尔法磁谱仪显示的一系列现象，首次表明赤道上空400公里处存在一个围绕地球的质子环，质子环中向各个方向飞行的粒子强度相同，处于动态平衡状态。
让科学家感到意外的是，研究结果显示，赤道附近的正电子比负电子多一倍，而传统理论认为，宇宙是中性的，由数量相同的正电原子核和负电子组成。太空中，氦原子核的成分应该是氦4占90%，氦3占10%。但这一实验发现，在赤道附近，有一个特别区域中只有氦3。这不能不说是一个奇怪现象。
目前，阿尔法磁谱仪-02的研制正在按计划顺利进行，2008年它将被发射升空，进行新一轮的反物质和暗物质探索。
阿尔法磁谱仪-02将是国际空间站上惟一的科学实验，它是一项富于原创性的重大前沿基础研究项目。它的主要目标是精确测量高能宇宙线的能谱，寻找反物质以及暗物质，测定宇宙射线中各种元素和同位素的含量，研究在飞往外星球过程中宇宙空间辐射对人体的影响，研究γ射线物理以及捕捉新的奇异物理现象。
狄拉克的预言——科学还是科幻
英国著名的物理学家狄拉克早在1928年就预言了正电子的存在，他把正电子比作在真空的大海中生成的一个气泡。他觉得电子和它的反粒子——正电子都是从虚无中创生而来，或者说，电子一旦与正电子相遇彼此便会消失得无影无踪。半个世纪以来，狄拉克的预言曾得到一片喝彩声，这倒不是因为他发现了一个真理，而是人们——大都是科学幻想家对他的奇思妙想佩服得五体投地。于是反物质从此成了离奇的科学幻想作品的绝好素材，所谓反物质宇宙、反物质人、反物质炸弹、反物质推进……从人们的头脑里源源不断地演绎出来。
根据相对论和万有引力定律，在宇宙的很多区域中，仅以我们能观察到的“亮物质”的质量计算，不可能产生现在观测到的这么大的引力，由此推断，要么是牛顿、爱因斯坦错了，要么存在既不发光、也不反光的暗物质，而且它们占宇宙总质量的比例高达90%。它们在哪里？它们由什么构成？人们一无所知。宇宙中究竟有没有反物质？现在还不清楚。按目前公认的假设，大爆炸会产生质量相同、电性相反的两种物质，有人认为反物质大量存在，只存在于遥远的反物质宇宙中。有无反物质在地球上没法找到答案，因为反物质一旦进入大气层就“湮灭”了，只有到宇宙中研究，才能搞清反物质的真相。
如果反物质世界距我们并不遥远，那里生成的反质子和反氦原子核就会以宇宙线的形式，往来于星河系，其中极微量的反粒子也许会来到地球。反氦原子核是物质世界中的粒子在碰撞等过程中不能生成的，如果我们从宇宙线中发现了反氦原子核，那么我们就算拿到了反物质世界存在的证据。
如果反物质世界在我们的近旁不存在的话，那么科学家观测到反质子又来自何方呢？科学家倾向于认为，反质子是宇宙中若干中基本粒子发生反应的产物，如果情况确实如此，由于科学家从宇宙线中仅检测到极稀少的反质子，那倒可以认为为探索发生在宇宙空间的，令人感兴趣的基本粒子反应创造了契机。
在现代宇宙理论中，宇宙是从“虚无”状态诞生的，随即经历了急速膨胀，形成一个超高温的火球——“大爆炸宇宙”。大爆炸宇宙充满极高能量。在这种高能状态下，可能产生了大量大质量粒子，此后随着宇宙的膨胀，在温度下降的过程中，这类大质量粒子崩解成为质量较小的粒子，在这时候生成了粒子和反粒子。如果这时产生的粒子与反粒子数量相同，那么随着宇宙空间温度下降，粒子和反粒子就会相遇并湮没，同时释放出Ｘ射线，介子和光，以及极大的能量。情况果真如此，最终宇宙中就不会存在粒子和反粒子，银河系和地球当然也就不会存在了。然而，当这类质量相当大的粒子崩解时，极微弱的粒子与反粒子的平衡会被打破，比如从比例上来说，对应1亿个反粒子，生成的粒子数是1亿个加1个，很快，1亿个粒子与1亿个反粒子相遇湮没，留下1个粒子，于是剩余的粒子聚集成为物质，进而形成了充满宇宙的星系和各种天体。科学家认为，这微不足道的粒子与反粒子数量上的区别，导致了大质量粒子崩解时被称为“CP对称性破缺”的基本粒子现象。
上面谈到的“CP对称性破缺”在整个宇宙中都无例外，可以认为，整个宇宙都是由粒子构成的。不过，如果这种“CP对称性破缺”只发生在宇宙的局部，那么宇宙的某个空间里就有可能生成大量的反粒子，这样一来由反粒子构成的星系和种种天体，也就是说反物质世界不就产生了吗？我们不妨想象：宇宙某个范围是物质世界，另一个范围是反物质世界，而我们人类只是偶然居住在物质世界里。
宇宙中充满了用光和电磁波无法观测到的“暗物质”，暗物质的全部质量估计有可见物质全部质量的几十倍。暗物质究竟为何物，目前仍不清楚，不过关于基本粒子的“超对称论”所预言的超对称性粒子，有可能被认定为暗物质。如果超对称粒子就是暗物质的话，它们就会在银河系内以0.01倍的光速往来奔突，这种超对称粒子彼此碰撞，就有可能在产生极微量的质子的同时，产生反质子。
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