探索字宙反物质之谜

我们都知道，这个世界是由物质组成的，而物质则又是由微观粒子如原子、分子等所构成的。但是反物质却是相反的，它是由原子、分子的反粒子，也就是反原子和反分子所构成。所以，所谓的反物质指的就是具有和物质完全相反的性质。

反物质这个定义被提出已经很久，不过这首先要从正电子的预言和发现说起。最早在1928年的时候，英国物理学家狄拉克在试图把相对论和量子力学这两个20世纪最重要的原理结合起来的实践中发现了这一现象，并且预言了正电子的存在。而所有这一切都是由狄拉克所建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。在对这个方程求解的过程中，狄拉克得出了描述电子内部状态的解4个，用来说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态能够用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释，不过对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解得出了奇怪的结论。

由上述可知，如果一个电子真的可以存在于负能状态，那么，它就不可能因为和其他粒子相碰撞而慢慢减速并最终停止，而是越加速越快，直到它的速度达到光速。不过这种性质是实现不了的，因为相对论方程的分析清楚地告诉了我们。所以，狄拉克提出了他非常著名的那个假设。

他做出的假设是这样的：我们日常所说的真空，事实上并非是真空的，而是所有负能级上都有两个电子的一种系统，因此，真空中是可以有无穷数目的电子，而且全部负能级都被电子占满了。按照泡利汀容原理，电子不可能跳跃到某个已被占满的负能级，因此它不得不留在正能级区听之任之一个能级上。所以，在受到激发后朝正能级跃迁的电子一定是处于负能级状态下的。在这个过程中，就像电子由正能级跳跃到负能级上的反过程，通常这样事件的发生须具备的条件是有能量大于能级的光子被激发。

宇宙反物质

假如它真的发生了，那么这个具有正能量的电子，就会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。然而这个空穴又如何来解释呢?不妨举以下的例子来说明，如果我们手上系着几个充满氢气的气球，那么手就会感觉到有一个向上的拉力，若是突然其中一个气球的线断了，我们立马就会感受到向上的拉力减小了，从反面来讲，我们也可以解释为是多了一个向下拉的力。同样的道理，在负能级状态缺少一个电子的空穴行为，就好像在那个地方产生了一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子就是我们所说的正电子。

按照上述的推理，人类就是第一次从理论上预言了反粒子的存在。接下来在1932年的时候，证实了正电子的存在是在卡尔·安德生通过对宇宙射线的威尔逊去层实验中发现的。继安德生发现正电子后，1955年张伯莱发现了反质子，1956年又发现了中子。在20世纪60年代左右，又随后发现一系列反粒子，接连发现反粒子使人们联想到所有的粒子都有和它相对应的反粒子吗?

紧接着，人们在其后所进行的一系列实验中发现，除去光子等少数粒子的反粒子是它的本身外，几乎所有粒子都有反粒子。人类自古就相信宇宙是对称的思想，不禁又使人们想到了既然粒子能组成物质，为什么反粒子不能组成反物质呢?就目前为大众所公认的宇宙起源的大爆炸理论中则很明确地提出了的确是存在反物质的，并且还预言宇宙中应该存在等量的物质与反物质。

不过从研究看，探索反物质的道路是漫长而又艰难的。从发现第一个反粒子到现在已90多年，在这中间人们也仅是从实验中获得了一些反粒子，并且最近几年才人工合成了第一反原子——反氢原子。而对于能构成反物质的其他各类反原子、反分子都还一无所获，更别提是反物质了。产生这些困难的原因在于人们发现的反粒子都是从宇宙射线路获得的，而宇宙射线到达地球首先要穿过厚达3000～4000千米的大气层，因此射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已与大气层中的粒子中和了。所以人们所能探测到的反粒子就极为微少了，并且反粒子都非常不稳定，极易与周围物质粒子发生变化。

因此，科学家们认为我们现在所处的这个物质世界中是不可能存在反物质的，就算存在也会很快和周围物质相中和。所以，只能把探寻反物质的希望寄予宇宙空间。在宇宙空间深处可能存在一个与物质世界完全相反的空间，在那里会存在大量的反物质，基于这一考虑，许多国家的科学家在数年共同努力下，“阿尔法磁谱议”终于升入太空。经过10天的太空航行后，它将会对宇宙中是否存在反物质作初步探测。

在现实中，如果被探明是真实存在反物质，那么，这将会是对在此基础上建立起的现有宇宙起源论及相对论量子力学理论最有力的实验验证。我们都知道根据爱因斯坦质能方程E=mc2，物质减少的质量将会转化为能量。现在的核反应正是利用了这一点，但核反应不能使质能完全转化，而物质与反物质相中和，因其产生出的是零质量的r光子，因此它的质量就会完全转化为能量。1千克铀235完全裂变释放出的能量相当于2000吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能。而同等质量的物质与反物质中和放出的能量则是铀235的3200多倍！因此探索反物质对于能源相对短缺的现代社会亦有着重要的意义。如果一旦探测结果证明宇宙中并没有反物质。那么，这将是对现有理论的一个不对理论物理的基础进行最大程度的修改。