反物质和自由行星

反物质和自由行星

在宇宙中，想来能在不被我们觉察的情况下偷袭我们的天体，还不仅是无伴星的黑洞而已。宇宙中还可能有一类天体，它们差不多同样危险，而它们的存在与否似乎更加悬而未决。

我们周围的普通物质都是由原子组成的，这种原子是在一个非常小的原子核外面包围着一些电子。原子核又是由质子和中子两种粒子组成的，这每一种粒子的质量都是电子质量的1800多倍。所以，我们周围的物质是由三种粒子组成的，即电子、质子和中子。

在1930年，狄拉克（他首先提出引力也许随着时间流逝在变弱）从理论上证明，还应该存在着“反粒子”。例如，应该有一种完全像电子，但带有相反电荷的粒子。因为电子带有负电荷，所以它的反粒子应带有正电荷。两年以后，一位美国物理学家安德森（Carl David Anderson，1905—1991）真的探测到了这种带正电荷的电子。它被取名为“正电子”，其实称为“反电子”也未尝不可。

后来，人们又相继发现了“反质子”和“反中子”。质子带有正电荷，所以反质子带有负电荷。中子不带电荷，反中子也不带电荷，但是它们的一些其他性质是相反的。反电子、反质子和反中子可以凑在一起形成“反原子”，而反原子又聚集成“反物质”。

如果一个反电子碰巧同一个电子相遇，它们便会彼此发生湮没，同时其中一个粒子的性质与另一个粒子的相反性质相抵消，而两者的质量都转化为“γ射线”（γ射线同X射线相似，只是波长更短，因而具有更高的能量）形式的能量。同样，一个反质子同一个质子也能彼此发生湮没，一个反中子同一个中子也是如此。一般说来，一团反物质可以同等量的一团物质发生湮没，只要两者彼此相遇。

在这种“相互湮没”过程中释放出来的能量是非常巨大的。像地球上氢弹爆炸和恒星内部核反应那样的氢聚变过程只能把参加聚变的物质的大约0.7%转化成能量，而相互湮没却能把100%的物质都转化成能量。因此，如果有一颗物质—反物质炸弹的质量与一颗氢弹的质量相同，那么前者的爆炸威力将是后者的140倍。

相反的过程也是可能的，即能量可以转化为物质。不过，就像湮没产生能量需要一个粒子和一个反粒子一样，当能量转化为物质时，总是同时产生出一个粒子和一个相应的反粒子。而且，看来还只有这样一种方式。

在实验室里，物理学家一次只能制造出寥寥几个粒子和反粒子，然而在大爆炸以后的那段时期，能量却已转化成了数量众多的物质，足以构成整个宇宙。如果情况真是这样，那么也应该有数量完全一样的反物质被产生出来。既然如此，那么反物质在什么地方呢？

在我们这颗行星地球上，只有物质存在。虽然在实验室里能制造出少数反粒子，在宇宙线中也能见到一些，但是它们实在微乎其微；而且单独的反粒子一遇上相应的粒子就会差不多立即消失，并在相互的湮没中放出γ射线。

如果不考虑这些微不足道的少数事例，我们可以说，整个地球都是由物质组成的。这当然是再好不过的事情。倘若地球一半是物质，而另一半是反物质，两者便会立即发生湮没，地球就绝不会是地球，而会是一大团γ射线火球。事实上，整个太阳系，整个银河系，乃至整个本星系团，都是由物质组成的。否则，我们一定会探测到比实际探测到的多得多的γ射线。

会不会有些星系团是物质，而另外有一些星系团是反物质？会不会在发生大爆炸之时形成的是两个宇宙，其中一个是物质的，而另一个是反物质的？我们对此还不清楚。关于反物质的行踪，至今仍是一个未解之谜。但是，如果同时存在着星系团和反星系团的话，它们必定都能保持各自的完整性，因为膨胀着的宇宙会将它们彼此分开，使它们相距越来越远。

如果在我们银河系里有一颗反恒星的话，倘若它附近什么也没有，只是纯粹的星际真空，我们恐怕无法只从它的外貌把它识别出来。不过，即使是那种情况，它也可能会偶尔发射出γ射线，因为空间中的物质粒子有可能与那颗反恒星放出的反物质粒子发生反应，而相互湮没。我们至今也没有观测到过这样的现象。然而，由于天体越小，数目越多，而且它们也比大天体更容易抛射出来，我们的银河系里恐怕间或还是会有一些行星大小或小行星大小的反物质天体。

难道不会有这样的一个反物质天体同太阳相撞吗？要知道这类天体毕竟太小，稍远一点的距离就无法看到。就算能看到它，但是在它与我们相撞以前，我们也无法辨认出它是由反物质组成的。

尽管如此，我们也没有太多理由为这类事情担心。我们还没有任何证据表明我们应该假定在我们银河系里有一些大小可观的反物质块在到处漫游。即使有这样的反物质块，它们击中太阳的机会也绝不会高过微黑洞击中太阳的机会。

哪怕有这样一团反物质击中太阳，它所引起的损害也肯定要比一个相同质量的微黑洞造成的损害小得多。微黑洞在击中太阳后不会消失，它会通过消耗太阳而不停地长大；而一团反物质只能同太阳的与它质量相等的一部分发生湮没，从而消失掉。

还有这一类的第三种天体，它们也可能在我们没有足够预警期的情况下突然来到我们太阳系附近。这一种天体既不是黑洞，也不是反物质，而是仅仅因为体积太小而躲过我们观测的一些极其普通的天体。

我们推断存在着这些天体的理由如下：

我已经谈过，在任何一类天体中，都是小个体的数目多于大个体的数目。因此，小恒星的数目必定多于大恒星的数目。

大小与太阳（它是一颗中等大小的恒星）差不多的恒星大约只占我们看见的恒星的10%。质量为太阳质量15倍甚至更大的巨星则要少得多，大约是每有100颗太阳大小的恒星才有这样1颗巨星。另一方面，质量只及太阳质量的一半甚至更小的恒星，按照我们近邻区域它们的正常分布来判断，则足足占了宇宙中全部恒星的3/4。⁽⁵⁾

一个天体的质量如果只有我们太阳质量的1/50，那么这点质量只能勉强挤碎它中心处的原子，而开始进行核反应，这只够把这个天体勉强加热到红热状态。即使它离我们相当近，刚刚够得上是在恒星距离，我们也只能模模糊糊地勉强看见它。

可是，我们并没有理由认为形成天体存在着一个质量下限，这个下限必须刚好同开始核反应所要求的那个质量相一致。宇宙中有可能形成一些“亚恒星”天体，它们的质量很小，以致不足以在它们的核心起动核反应，或者不足以起动核反应把它们加热到红热状态的程度。

这样的不发光天体倘若是某个太阳系的一部分，我们当然会称它们为行星。正因为如此，我们其实应当把它们视作独立形成的行星，它们并不专属于某颗恒星，而是独立地围绕银核运动。

这种“自由行星”的数目很可能要比恒星多得多，它们多半是极普通的天体，只是未被我们看见而已。我们太阳系里的行星固然离我们很远，它们要不是凑巧能反射近处太阳的光线的话，其实也是看不见的。

那么，有一颗这样的自由行星闯入我们太阳系而引起灾难的可能性有多大？

最大的自由行星至少应该同最小的恒星一样普遍，可是考虑到星际空间是那样浩瀚，它们绝不会多到有较大的机会同我们相遇。较小的自由行星会多一些，而更小的自由行星会更多。由此可以想到，这种天体越小，它同我们太阳系遭遇的机会就越大。

像小行星那样大小的自由行星，它们闯入太阳系的机会恐怕要比其存在尚属悬案的微黑洞或者反物质闯入的机会大得多。尽管如此，自由行星的危险却要比另两种天体小得多。微黑洞或反物质一旦击中太阳，前者会无限制地吞食物质，而后者会湮没物质。自由行星，由于是普通物质，那时只是蒸发而已。

如果我们知道有一颗小行星正在向我们冲来，有可能同太阳近距离遭遇，我们恐怕也搞不清它究竟是来自行星际空间的进犯者，抑或仅是我们太阳家族的成员。后者本来就是太阳系内的小行星，它在这以前碰巧未被我们发现，或者因为某种原因其轨道受到摄动而改变，进入同太阳相撞的路线。

这样的闯入者或许曾经无数次穿过我们的太阳系，而未造成任何损害。太阳系里有一些小天体的轨道很不规则，令人可疑，它们也许就是在半道上被截获下来的自由行星。这包括海王星的那颗外面的卫星海卫二，土星的最外面的那颗卫星土卫九，以及在1977年发现的一颗小行星喀戎（Chiron）。喀戎这个天体甚是奇特，它围绕太阳运行的椭圆形轨道位于土星和天王星之间。

就我们知道的情况来看，冥王星和它的那颗卫星（迟至1978年才发现）恐怕就是被我们太阳俘获的一个独立的小型“太阳系”。用这种观点来分析，冥王星轨道的异乎寻常的大倾角和大偏心率也就不足为奇了。

太阳系还可能与之遭遇的最后一类星际空间的天体都是一些非常小的天体，它们是尘埃粒子或单个原子。由这些尘埃和气体组成的星际云在空间是十分普遍的。太阳不仅可能与这些天体“碰撞”，而且无疑在过去已经碰撞过许许多多次。这一类碰撞对太阳的影响无论从哪方面说都可以忽略，可是对我们人类却不尽然。这个问题，我在本书后面适当地方还要再次进行讨论。

【注释】

(1)半人马座α实际上是一颗双星，即互相绕转的两颗星，还有相形见绌的另一颗矮星位于离它们比较远的地方。在我们近邻的那些恒星中，我们甚至还能见到多达6颗星——3对双星——也被相互的引力束缚在一起的。就这里讨论的问题而言，我在用“恒星”一词时，其实也包括了被引力束缚在一起的从2颗到6颗恒星的多星系统。

(2)冥王星于2006年被排除出行星行列，故现太阳系只有8颗行星。——译者

(3)参见第72页译注。——译者

(4)质量有一颗恒星那样大的黑洞所具有的有效温度是绝对零度以上一百万分之一度，它们蒸发得十分缓慢，全部蒸发完所需的时间是到下次宇宙蛋这段时间的若干万亿亿倍。在这期间，它们肯定还会收罗到多得惊人的质量。因此，恒星大小的黑洞是永不消失的天体，它们只会越长越大，而不会变小。霍金的这种新观点只适合于微黑洞，特别是小的微黑洞。

(5)这些小恒星非常暗弱，离我们比较远的就无法看见。我们只有研究在我们近邻区域离我们比较近，因而看得见的那些小恒星，才会对它们的相对数量作出符合实际的估计。我们看到的远处的恒星，只是一些比较大的、比较亮的恒星，因而由此获得的对宇宙中各种大小恒星的构成比例的印象只能是一种假象。