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主要概念

編輯

正電子、負質子都是反粒子，它們跟通常所說的電子、質子相比較，電量相等但電性相反。科學家設想在宇宙中可能存在*由反粒子構成的物質，也就是反物質。

電子和反電子的質量相同，但有相反的電荷。質子與反質子也是這樣。那么中子與反中子的性質有什么差別？其實粒子實驗已證實，粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質也都相反。這里我們討論一下重子數的概念。

質子與中子被統稱為核子。人們從核現象的研究發現，質子能轉化為中子，中子也能轉化為質子，但在轉化前后，系統的總核子數是不變的。例如：在發生β衰變時，放出正電子的稱為“正β衰變”，放出電子的稱為“負β衰變”。在正β衰變中，核內的一個質子轉變成中子，同時釋放一個正電子和一個中微子；在負β衰變中，核內的一個中子轉變為質子，同時釋放一個電子和一個反中微子。此外電子俘獲也是β衰變的一種，稱為電子俘獲β衰變。

50年代起的粒子實驗表明，還有很多種比核子重的粒子，它們與核子也屬同一類，這類粒子于是被改稱為重子，核子僅是其輕的代表，一般的規律是：當粒子通過相互作用而發生轉化，系統中的重子個數是不會改變的。

由于重子數的守恒性，兩個質子相碰是不會產生一個包含三個重子的系統的，那么反核子應當怎么產生？實驗表明，反核子總是在碰撞中與核子成對地產生的。例如 p+p → N+N+N+N'+若干 π介子，其中N代表質子或中子，N'代表反質子或反中子。反核子一旦產生，它常很快與周圍的某個核子再相碰而成對地湮滅。例如

N+N' → 若干 π介子。按照這種說法推論，在宇宙的某個地方，一定存在著反物質世界。如果反物質世界真的存在的話，那么，它只有不與物質會合才能存在。可物質與反物質怎樣才能不會合？反物質在宇宙何方？這還是待解之迷。

對于比核子更重的重子，情況*一樣。反重子也總是與重子成對地產生，成對地湮滅的。這些經驗使人們認識到，重子數的守恒規律需要重新認識。人們把重子數B當作描述粒子性質的一種電荷。正反重子不僅有相反的電荷，而且也有相反的重子數B。令任一個重子都具有重子數B=+1，則任一個反重子都具有B=-1。介子、輕子和規范子等非重子不具有重子數，即它們有B=0。重子數的守恒規律可表述為：任何粒子反應都不會改變系統的總重子數B。這表述既反映了不涉及反粒子時的重子個數不變，也概括了反粒子與粒子的成對產生和湮滅。我們容易理解中子和反中子的區別了，它們具有相反的重子數B，因此反中子能與核子相碰導致湮滅，而中子則不能。

此外，人們還類似地發現了輕子數的守恒性。中微子雖不帶電，也不具有重子數，但它與反中微子具有相反的輕子數。按輕子數的守恒性，中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的，實驗還表明，介子數和規范粒子數是不具有守恒性的。這樣我們看到，電荷只是粒子的一種屬性，另外還有用重子數和輕子數等物理量刻畫的其他屬性。正反粒子的這些屬性也都是相反的。1928年，英國青年物理學家狄拉克從理論上*論證了正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外，一切性質和電子相同。1932年，美國物理學家安德遜在實驗室中發現了狄拉克所預言的正電子。1955年，美國物理學家西格雷等人用人工的方法獲得了反質子。此后人們逐漸認識到，不僅質子和電子，所有的微觀粒子都有各自的反粒子。

這一系列科學成果使人們日漸接近反物質世界。然而問題并不那么簡單。首先，在地球上很難發現反物質。因為粒子與反粒子碰到一起，就像冰塊遇上火球一樣，或者一起消失，或者轉變為其他粒子。所以在地球上，反物質一旦碰上其它物質就會被兼并掉。其次，制造反物質相當困難而且耗費巨大，需要如SSC或LHC之類的高科技儀器，并且即使制造出反物質，也難以保存，因為地球上萬物都由物質構成。

我們周圍的宏觀物質主要由重子數為正的質子和中子所組成。因此，這樣的物質被稱為正物質，由他們的反粒子組成的物質相應地叫反物質。從粒子物理的角度講，正粒子和反粒子的性質幾乎*對稱，那么為什么自然界有大量的正物質，而卻幾乎沒有反物質呢？這正是我們要討論的問題。

反物質就是正常物質的鏡像，正常原子由帶正電荷的原子核構成，核外則是帶負電荷的電子。但是，反物質的構成卻*相反，它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。從根本上說，反物質就是物質的一種倒轉的表現形式。愛因斯坦曾經根據相對論預言過反物質的存在：“對于一個質量為m，所帶電荷為e的物質，一定存在一個質量為m，所帶電荷為-e的物質（即反物質）”。按照物理學家假想，宇宙誕生之初曾經產生等量的物質與反物質，而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消，發生爆炸并產生巨大能量。然而，出于某種原因，當今世界主要由物質構成，反物質似乎壓根不存在于自然界。正反物質的不對稱疑難，是物理學界所面臨的一大挑戰。 [1] 

主要特點

編輯

在多數理論家看來，宇宙中正反物質的大尺度分離是不可能發生的。因此，三千萬光年的范圍內沒有反物質天體，已說明宇宙中大塊的反物質是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質應當等量。這樣，需要做的事是尋找物理機理，來說明宇宙如何才能從正反物質等量的狀態過渡到正物質為主的狀態。這里，理論家也遇到了非常尖銳的困難。

按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產生達到統計平衡，宇宙介質就是一切基本粒子構成的混合氣體，且任一種穩定或不穩定的粒子都有接近相等的數密度。至于重子和反重子的數目是否嚴格相等，這不是由物理規律決定，而是由初條件決定的。

在理論家看來，在初的宇宙中正反粒子應當等量才自然。但是易于看出，若這想法是對的，重子的守恒性立即會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 ^13 K以下，由于粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產生重子已不可能。于是湮滅過程將使正反重子的數目同時迅速下降。終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上，今天宇宙中光子的數目多。重子的數目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數目很可能還要低許多量級。如果重子數B的守恒性是嚴格的物理規律，要宇宙從正反重子等量的狀態演化成今天這樣的狀態是不可能的。然后，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多于反重子，那么問題的出路在哪兒？

重子數的守恒性肯定是嚴格成立的物理規律嗎？至今難以計數的粒子實驗確實沒有發現過一個破壞重子數守恒的事例，但是這并不說明它一定是嚴格的規律。回顧一下化學的發展可作借鑒。化學反應是元素的重新組合。經驗表明，在重組合的前后，每一種元素的原子數是守恒的，無數的化學實踐表明沒有例外。想把汞變金的煉金術的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應的知識后人們已清楚知道，汞變成金*可能，關鍵在于要有高的能量讓原子核發生變化。化學反應是在粒子能量小于1MeV的條件下進行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應就不能發生。若過程中粒子的能量超過1MeV，原子核之間就能充分接近，那么原子核就能變化了，原子數的守恒性也就隨之破壞了。由此看來，原子數在化學過程中的守恒不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規律，而不是普遍成立的自然規律。借鑒同樣的道理，重子數的守恒性也可能僅是一定能量范圍的唯象規律，而不是普遍成立的。當粒子的能量更高，重子數的守恒性*可能會不成立，這正是今天的理論家看到的出路。

從70年代中期起，粒子物理中由弱電統一理論的成功，掀起了研究相互作用大統一的潮流。按這樣的理論，高能下發生破壞重子數守恒的過程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學解決正反物質不對稱疑難的需要不謀而合了。于是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學的交叉領域而得到了很多進展。人們已清楚，要從正反物質等量的早期宇宙演化出今天正物質為主的狀態，除了重子數守恒須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質還必須有適量的差別。由于超高能下的粒子物理規律至今還沒有被掌握，因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物質天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還并不*肯定。

總之，為*揭開宇宙反物質之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預料，這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的，它對物理學的影響也將是很深刻的。