值得探究的字宙反物质

大家都知道，我们的这个世界是由物质组成的，而物质则又是由原子、分子等微观粒子所构成的。但是反物质由原子、分子的反粒子，也就是反原子和反分子所构成。所以，这里所谓的反物质指的就是具有和物质完全相反性质的物质。

反物质，这个定义已提出很久，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20世纪最重要的原理——相对论和量子力学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，狄拉克一共得出了4个描述电子内部状态的解，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，假如一个电子真的可以存在负能状态，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，而是越来越快，直到它的速度达到光速。不过，从相对论方程的分析中能够清晰地知道，这种性质是实现不了的。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，实际上并非是真空的，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。按照泡利不相容原理，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的能级上。所以，一定是处于负能级的电子在受到激发后朝正能级跃迁。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，一般只要有能量大于能级的光子激发，都有可能发生。

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。怎样来解释这个空穴呢?以下不妨举例说明，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拉的力减小了，从反面来讲，我们也可以解释为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，人类便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，卡尔·安德生通过对宇宙射线的威尔逊去层实验发现并证实了正电子的存在。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，又接着发现了一系列反粒子，接连发现反粒子使人们联想到是否所有的粒子都有和它相对应的反粒子呢?

紧接着，人们在之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，那么反粒子为何不能组成反物质呢?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是存在反物质的，并且还预言宇宙中可以存在等量的物质与反物质。

不过，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80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，更谈不上反物质了。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获得的，而宇宙射线到达地球首先必须穿过厚达3000～4000千米的大气层，因此射线中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少了，并且反粒子都非常不稳定，极易与周围物质粒子发生湮灭。

在现实中，如果反物质被探明是真实存在的，那么，将会是对在此基础上建立起的现有宇宙起源论及相对论、量子力学理论的最有力的实验验证。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大意义。一旦探测结果证明宇宙中并没有反物质，那么，就要对现有理论物理的基础进行最大的修改。

因此，科学家们的观点是现在我们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，在许多国家的科学家们数年共同努力下，“阿尔法磁谱议”终于升入太空。经过10天的太空航行后，它将对宇宙中是否存在反物质作初步探测。2002年的时候，“阿尔法磁谱仪”被放置到新组建的“发现号”空间站，从此开始对反物质进行大规模探测。