物理天穹的“烏云”是指物理學(xué)最前沿的研究課題，也是困擾全世界物理學(xué)家的難解之謎。當(dāng)今，物理學(xué)最大的難解之謎包括類星體的超高能量、尋找自由夸克、超引力和超對(duì)稱以及反物質(zhì)和暗物質(zhì)，此被稱為現(xiàn)代物理學(xué)天穹之上的四朵“烏云”。近十來年，中國科學(xué)家與各國科學(xué)家一起，正在攜手解讀反物質(zhì)和暗物質(zhì)之迷這朵烏云。
阿爾法磁譜儀——人類在太空的物理實(shí)驗(yàn)
阿爾法磁譜儀是以探索空間反物質(zhì)、暗物質(zhì)和載人探空過程中輻射對(duì)人體的影響為主要目的的大型國際合作科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也是人類送入宇宙空間的第一個(gè)大型物理探測(cè)儀器。
目前，阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得了一些重要成果，并有意外發(fā)現(xiàn)。這些成果和發(fā)現(xiàn)，將有助于人類進(jìn)一步探索宇宙中的最基本粒子，認(rèn)識(shí)宇宙的起源。
阿爾法磁譜儀-01于1998年6月隨“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)升空后，遨游于太空中的阿爾法磁譜儀各子探測(cè)器工作正常，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，能正確區(qū)分各種原子核及其電荷。阿爾法磁譜儀首次飛行收集了2億多個(gè)粒子現(xiàn)象案例，其中80％為質(zhì)子，20％為各種原子核，獲得了許多具有重大理論研究?jī)r(jià)值的成果。按照阿爾法磁譜儀提供的數(shù)據(jù)信息，地球赤道上空的正電子與負(fù)電子之比為4:1，首次展示了宇宙線的第二個(gè)質(zhì)子譜，表明赤道上空的氦-3遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于氦-4。此外還將反氦存在的上限降低到1.0－6。這是人類第一次在宇宙空間中直接測(cè)量的帶電粒子，具有重要的科學(xué)意義。
中國科學(xué)院外籍院士丁肇中，這位至今工作在科學(xué)最前沿的諾貝爾獎(jiǎng)得主在題為《尋找宇宙中的最基本粒子》的報(bào)告中說，阿爾法磁譜儀顯示的一系列現(xiàn)象，首次表明赤道上空400公里處存在一個(gè)圍繞地球的質(zhì)子環(huán)，質(zhì)子環(huán)中向各個(gè)方向飛行的粒子強(qiáng)度相同，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。
讓科學(xué)家感到意外的是，研究結(jié)果顯示，赤道附近的正電子比負(fù)電子多一倍，而傳統(tǒng)理論認(rèn)為，宇宙是中性的，由數(shù)量相同的帶正電原子核和負(fù)電子組成；太空中氦原子核的成分應(yīng)該是氦-4占90％，氦-3占10％，但阿爾法磁譜儀獲得的數(shù)據(jù)顯示，在赤道附近有一個(gè)特別區(qū)域中只有氦-3。這不能不說是一個(gè)奇怪現(xiàn)象。
阿爾法磁譜儀-02將是國際空間站上惟一的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。它是一項(xiàng)富于原創(chuàng)性的重大前沿基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，其主要目標(biāo)——精確測(cè)量高能宇宙線的能譜，尋找反物質(zhì)以及暗物質(zhì)，測(cè)定宇宙射線中各種元素和同位素的含量，研究在飛往外星球過程中宇宙空間輻射對(duì)人體的影響，研究γ射線物理以及捕捉新的奇異物理現(xiàn)象。
狄拉克的預(yù)言——科學(xué)還是科幻
1928年，英國著名的物理學(xué)家狄拉克就預(yù)言了正電子的存在，他把正電子比作在真空的大海中生成的一個(gè)氣泡。他覺得電子和它的反粒子——正電子都是從虛無中創(chuàng)生而來，或者說，電子一旦與正電子相遇彼此便會(huì)消失得無影無蹤。半個(gè)多世紀(jì)以來，狄拉克的預(yù)言曾得到一片喝彩聲。其實(shí)，這倒不是因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一個(gè)真理，而是人們——大都是科學(xué)幻想家對(duì)他的奇思妙想佩服得五體投地。于是反物質(zhì)從此成了離奇的科學(xué)幻想作品的絕好素材，所謂反物質(zhì)宇宙、反物質(zhì)人、反物質(zhì)炸彈、反物質(zhì)推進(jìn)…，從人們的頭腦里源源不斷地演繹出來。
根據(jù)相對(duì)論和萬有引力定律，在宇宙的很多區(qū)域中，僅以我們能觀察到的“亮物質(zhì)”的質(zhì)量計(jì)算，不可能產(chǎn)生現(xiàn)在觀測(cè)到的這么大的引力。因此，要么是牛頓、愛因斯坦錯(cuò)了，要么存在既不發(fā)光、也不反光的暗物質(zhì)，而且它們占宇宙總質(zhì)量的比例高達(dá)90％。那么，暗物質(zhì)在哪里？它們由什么構(gòu)成？我們卻一無所知。
宇宙中究竟有沒有反物質(zhì)，現(xiàn)在還不清楚。按目前公認(rèn)的假設(shè)，大爆炸會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量相同、電性相反的兩種物質(zhì)。于是有人認(rèn)為反物質(zhì)大量存在，只存在于遙遠(yuǎn)的反物質(zhì)宇宙中。到底有無反物質(zhì)，在地球上沒法找到答案，因?yàn)榉次镔|(zhì)一旦進(jìn)入大氣層就“湮滅”了，只有到宇宙中研究，才有可能搞清反物質(zhì)的真相。
如果反物質(zhì)世界距我們并不遙遠(yuǎn)，那里生成的反質(zhì)子和反氦原子核就會(huì)以宇宙線的形式，往來于星河系，其中極微量的反粒子也許會(huì)來到地球。反氦原子核是物質(zhì)世界中的粒子在碰撞等過程中不能生成的，如果我們從宇宙線中發(fā)現(xiàn)了反氦原子核，那么我們就算拿到了反物質(zhì)世界存在的證據(jù)。
如果反物質(zhì)世界在我們的近旁不存在的話，那么科學(xué)家觀測(cè)到反質(zhì)子又來自何方呢？現(xiàn)在有科學(xué)家傾向于認(rèn)為，反質(zhì)子不過是宇宙中若干基本粒子發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物。如果情況確實(shí)如此，由于科學(xué)家從宇宙線中僅檢測(cè)到極稀少的反質(zhì)子，那倒是為探索發(fā)生在宇宙空間的、令人感興趣的基本粒子反應(yīng)創(chuàng)造了契機(jī)。
在現(xiàn)代宇宙理論中，宇宙是從“虛無”狀態(tài)誕生的，隨即經(jīng)歷了急速膨脹，形成一個(gè)超高溫的火球——“大爆炸宇宙”。大爆炸宇宙在早期是一個(gè)充滿極高能量的狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生大量的大質(zhì)量粒子。此后隨著宇宙的膨脹，宇宙溫度也隨之下降，這類大質(zhì)量粒子將崩解成為質(zhì)量較小的粒子——粒子和反粒子。如果這時(shí)產(chǎn)生的粒子與反粒子數(shù)量相同，那么隨著宇宙空間溫度下降，粒子和反粒子就會(huì)相遇并湮沒，同時(shí)釋放出Ｘ射線，介子和光，以及極大的能量。如果情況果真如此——粒子和反粒子在相遇中都湮沒了，最終宇宙中就不會(huì)存在粒子和反粒子，當(dāng)然也就不會(huì)存在銀河系和地球了。但是，這類質(zhì)量相當(dāng)大的粒子在崩解時(shí)，極微弱的粒子與反粒子的平衡會(huì)被打破，比如說，大粒子崩解時(shí)生成的是1億個(gè)反粒子，而粒子數(shù)是1億個(gè)加1個(gè)，相遇湮沒的是1億個(gè)粒子與1億個(gè)反粒子，留下1個(gè)粒子。大粒子崩解有無窮多個(gè)1億+1個(gè)粒子與1億個(gè)反粒子，于是剩余的這1個(gè)粒子就可以聚集成為物質(zhì)，進(jìn)而形成充滿宇宙的星系和各種天體?？茖W(xué)家認(rèn)為，這微不足道的粒子與反粒子數(shù)量上的區(qū)別，導(dǎo)致了大質(zhì)量粒子崩解時(shí)形成基本粒子的現(xiàn)象——稱為質(zhì)量起源的“CP對(duì)稱性破缺”機(jī)制。
可以認(rèn)為，“CP對(duì)稱性破缺”在整個(gè)宇宙中都無例外，整個(gè)宇宙都是由粒子構(gòu)成的。不然，如果這種“CP對(duì)稱性破缺”只發(fā)生在宇宙的局部，那么宇宙的某個(gè)空間里就有可能生成大量的反粒子。這樣一來，由反粒子構(gòu)成的星系或天體不就是所謂的反物質(zhì)世界嗎？也就是說，宇宙某個(gè)范圍是物質(zhì)世界，另一個(gè)范圍是反物質(zhì)世界，而我們?nèi)祟愔皇桥既痪幼≡谖镔|(zhì)世界里。真的嗎？科學(xué)家們苦于要回答這個(gè)問題。
宇宙中充滿了用光和電磁波無法觀測(cè)到的“暗物質(zhì)”，暗物質(zhì)的全部質(zhì)量估計(jì)有可見物質(zhì)全部質(zhì)量的幾十倍。暗物質(zhì)究竟為何物，目前仍不清楚。不過，關(guān)于基本粒子的“超對(duì)稱論”所預(yù)言的超對(duì)稱性粒子，有可能被認(rèn)定為暗物質(zhì)。如果超對(duì)稱粒子就是暗物質(zhì)的話，它們就會(huì)在銀河系內(nèi)以0.01倍的光速往來奔突，這種超對(duì)稱粒子彼此碰撞，就有可能在產(chǎn)生極微量的質(zhì)子的同時(shí)，產(chǎn)生反質(zhì)子。
總之，物理天穹的“烏云”就是物理學(xué)最前沿研究中還處于各種“如果”、“可能”、“有希望”的課題。
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