自然界有“反物质”吗

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自然界有“反物质”吗

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自然界有“反物质”吗

作者：建一文章来源：摘自《大众科技报》点击数：更新时间：2006-4-5

１９３０年，英国物理学家狄拉克根据泡利的不相容原理提出一个大胆的假设：认为自然界中存在一种与电子性质相同却具有相反电荷的粒子。１９３２年，美国物理学家安德森在分析一张从云雾室中拍到的粒子运行轨迹照片时，偶然发现了一种奇怪的现象，有些粒子的轨迹与电子非常相似，只是偏转方向相反，于是他把这种粒子叫作正电子，从而证实了狄拉克预言的带正电荷电子的存在。

　　１９５５年，美国物理学家塞格雷和张伯伦利用质子同步加速器发现了反质子。１９５６年，洛仑兹辐射实验室的柯克等人利用质子与反质子的非碰撞反应又发现了反中子。至今在已发现的基本粒子中，每种粒子都有在质量、自旋数、寿命等方面相同，而电荷、磁矩等量子数方面相反的配偶棗反粒子，正粒子与反粒子成双成对是普遍的。于是有人设想，原子是由带负电荷的电子和带正电荷的原子核组成，如果由带正电的电子与带负电的质子组成原子，那么就是反原子，由反原子就可组成反分子，由反分子就可组成“反物质”。

　　１９３３年，狄拉克在诺贝尔奖颁奖仪式上发表的演说中称，他相信存在一个“反物质”构成的宇宙。之后瑞典物理学家阿尔文等人的“反物质宇宙模型”学说认为，原始宇宙由一半正物质和一半反物质构成，随着宇宙的膨胀，形成了彼此孤立的“总星系”，被“宇宙地平线”分隔开，因而不能相互观测到。那么自然王国中是否存在 “反物质”呢？

　　目前各国科学家搜索和研究“反物质”的宏大计划正在加紧进行，主要采取两种途径：一是研究反物质的自然状态，如１９９８年６月２日，美国“发现”号航天飞机携带阿尔法磁谱仪去太空寻找“反物质”；二是建造强大而精密的超高能设备，在实验室中制造“反物质”。

　　随着基本粒子的反粒子相继发现，人们终于领悟到，电荷共轭原理是极其普遍的原理，所有基本粒子都存在相应的反粒子（电荷相反）。正粒子代表一种能量态，反粒子则代表另一种相反的状态，正粒子与反粒子不过是一种更基本的粒子的两种数量不同的组合形态，正粒子与反粒子仅仅是电磁性质上相反，在本质上是相同的。在正反粒子相互湮灭过程中，只有电荷消失了。因为电荷是正粒子与反粒子惟一性质相反的部分，正粒子和反粒子具有的两份相同的质量都不能消失。然而，质量是能量的一种形式，它可以改变形式，在相互湮灭过程中会放出带能量的粒子，这个粒子能量就等于湮灭之前所存在的质量差。

　　各种粒子和反粒子总是形影不离，在高能条件下出现的正反粒子短暂对峙局面是一种粒子分裂为更低层次粒子时的运动状态，所以反粒子不能以天然常态长久存在，只能在高能碰撞中亮相。时至今日，地球上发现的反粒子都是在实验室极端条件下的产物，微观粒子在相互转化时出现的正反粒子一旦相遇就会灰飞烟灭，瞬间转化成其它粒子。就是寿命最长的反中子也从未超过１００秒，所以有一种奇怪的现象，一些基本粒子分割后得到的却是与分割前处于同一层次的粒子。

　　自然界没有绝对的事物，当然也不会有绝对的对称，如果说物质的对称性显示了物质世界的整体统一性，而局部的不对称性，则是所有物质都在一刻不停运动的表现。愈小的物质结构，运动范围愈小，对称性愈明显；愈大的物质结构，运动范围愈大，不对称性越明显。其实我们周围宏观世界的物质不完全对称，只是一种局部的不均匀性，在更大尺度上，所有物质都会遵循对称性原理。从宏观世界看到的不对称结构，在更深层次的微观世界中却显得十分对称。就像人类性别比例，在某一社会结构中，男女比例相差往往十分悬殊，而对于整个人类来说，男女比例基本对称，再具体到每一对配偶就是完全对称了。宇宙的物质总量中，所有物质结构（从天体到粒子）本来就是一分为二的，对称性是物质状态和运动规律在对称变换下的性质，已成为物理学中一个最普遍而深刻的原则。

　　但是，谈论“反物质”问题时，首先必须澄清正反概念的涵义。按逻辑推理，正反概念是指某一事物内包含的两个对应面（譬如原子中有带正电的原子核和带负电的电子），正反概念在本质上是势不两立的。如果属于两个范畴，是两种不同的事物，它们之间没有可比性，就不存在相对应的正反概念。无论正电子还是其它反粒子的发现，只是证实了自然界中各种正反粒子同时存在，显示物质世界的一种基本对称性棗正反对称，呈现了大自然一种令人心灵震撼的对称美。但这些正反粒子的性质仍然没有超出物质范畴之外，与物质的概念并不对应。反粒子只是带相反电荷的粒子，与“反物质”的概念风马牛不相及。

　　物质一词概括了宇宙中不依赖于人的意识而客观存在的一切。而在明确无误的物质世界之外无中生有地虚构一个“反物质”世界，就像在阳间世界之外再去假设一个与之对应的阴间世界一样离奇。而确定一个与物质概念相对应的概念，就只能是棗物质与精神这两种对应的概念，而不能是物质与“反物质”的划分。

　　大自然是检验所有理论的试金石，我们看不出有任何显而易见的理由对“反物质”理论作出合乎逻辑的解释，相反，我们通过逻辑推理可以排除“反物质”存在的可能，却由于它的不可检验性（非科学事物的共性）而无法证实其不存在。结论也只能有待于那些寻找“反物质”的尝试的最终结果而定了。

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