想象一下,一个所有东西都全然相反的世界:正是负的,光是暗的,引力令物体分离而非聚合…..
事实上,物理学家亚瑟·舒斯特(Arthun schuster)早在1898年就给科学期刊《白然》写过两封有关这些奇思妙想的信。他在信中创造了“反物质”一词,用来描述一个存在“反引力”的“反太阳系”。虽然舒斯特的这个创造纯属个人想象,但“反物质”—词却被保留了下来。
20世纪20年代,当英国理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Drac)开始研究量子力学时,得出的狄拉克方程(以他的名字命名)揭示出了一系列市曾发现过的粒子。这些粒子与我们最熟悉的几种粒子(电子、质子、中子)质量相同,却带有相反的电荷。这些粒子便被人们称为“反物质”。至于它们是否具有19世纪舒斯特提出的反引力,目前科学家正在进行研究。
当一个反物质粒子与一个物质粒子接触后,两者都将瞬间转化成能量。其中大部分能量会转化成高能伽马射线(即放射性物质释放出的一种射线)。这类能量转化方式会导致两种物质同时消失,因此被称为湮灭。核反应释放能量采用的也是将质量直接转化为能量的方式。但是,核反应中只有一小部分质量会被转化成能量,而1千克的物质—反物质发生湮灭释放的能量是相同质量物质发生核爆炸所释放能量的近1000倍,相当于4300万吨TNT炸药爆炸时释放的能量。
那么,你或许会问,既然这类反应如此高效,并能产生如此多的能量,为什么我们不利用这类反应为发电站和汽车供能呢?
事实上,还有几道障碍挡在这些能量之前。为了真正理解我们需跨越的这几道障碍,我们先来回顾一下宇宙的起源。
来自宇宙大爆炸
宇宙究竟如何起源并开始变得包罗万象的?目前人们认为宇宙始于一个体积无限小的点(奇点)。宇宙大爆炸开始后,宇宙便从奇点中迅速膨胀、冷却。宇宙大爆炸发生的速度非常快,快到初期的几个阶段都只能以零点零零零…..零几秒来计算,要用小数点后有30多个“O”的数字才能将这个极短的时间表达出来。
就在那段极短的时间里,宇宙中的能量转化成了质量——成对存在的粒子和反粒子,它们通过碰撞不断地创生和湮灭。直到某个时刻,由于我们目前尚未完全弄清的原因,粒子的数量略微超过反粒子。在大爆炸10-?秒之后,宇宙温度已经下降到不足以产生新的粒子—反粒子对,从而导致粒子和反粒子之间的质量湮灭,仅十亿分之一的物质粒子保留下来。随后,宇宙温度继续降低,这些物质粒子慢慢聚合,形成了我们现在看到的各种星系。
并不是说宇宙中绝对不存在反物质,只是我们还不知道它们究竟去了哪里。在我们生活的这个由物质组成的世界里,能发现反物质的地方少之又少。此外,即使反物质被发现,也通常无法长久留存。因为,一旦反物质遇到物质,它们会在瞬间爆发出的那道光芒中一同消失。
那么我们怎么知道反物质确实存在呢?事实上,科学家已经在好几个地方观察到了反物质。国际空间站上有一台被称为“阿尔法磁谱仪”(AMS)的仪器在密切关注着地球的大气层,这台仪器会时不时地捕获一些太空中突然出现的伽马射线。于是,科学家意识到,地球正在遭受正电子的撞击,这些伽马射线就来自正电子与电子碰撞时发生的湮灭。