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反物质和有机物质 a：广阔宇宙中许多未解的谜鼓励着我们继续探索。我们要讨论的宇宙反物质和暗物质,就是其中两个未解之谜。这里我们着重谈谈探索宇宙反物质和暗物质的科学意义,以及怎样用在空间站上的实验仪器去探索宇宙反物质和暗物质。 乙:提起反物质:使我想起前些时候报导过这样的消息:欧洲核子研究中心的科学家,利用原子和反质子碰撞产生了反氢原子。尽管这种在实验室条件下产生的反氢原子的寿命很短,只有四百亿分之一秒,却引起了关心科学的公众极大的兴趣。这种反氢原子就是反物质吧? 甲:是的。在介绍反物质之前,我们先要提到粒子和物质。这里所说的粒子,是微观粒子的简称。比如电子、中子、质子等等都是粒子。我们知道,物质是由微观粒子组成的。质子和中子组成原子核。带正电的原子核和带负电的电子组成原子。各种原子组成了宇宙中的各种物质。本世纪三十年代初,英国物理学家狄拉克提出反物质的假说。世界上所有的粒子都有它们相应的反粒子。例如,每一种夸克都有它的反夸克,每一种轻子都有它的反轻子。有电子就有反电子,也叫正电子。有质子就有反质子,有中子就有反中子。 乙:反粒子和粒子就象一对兄弟,它们有什么相同的地方和哪些不同的地方呢? 甲:反粒子与粒子这一对兄弟,有许多相同的地方,比如它们的质量相同,寿命也相同,等等。例如,电子和正电子的质量相同,质子和反质子的质量相同。同时,反粒子有许多与粒子相反的性质。以大家容易理解的电性与磁性来说吧:电荷有正、负之分,反粒子与粒子的电荷大小相等而符号相反。磁矩也有正负之分,反粒子与粒子的磁矩大小相等而符号也相反。此外,反粒子与粒子还有许多性质相反。例如有一种性质叫重子数,质子的重子数是+1,反质子的重子数是-1,所以质子和反质子的重子数大小相等而符号相反。已知在反应过程中重子数是守恒的,所以当由高能光子产生质子和反质子时,质子和反质子总是成对产生的(光子的重子数是零);而当反质子和质子碰撞时,它们会湮灭(湮音同烟,是埋没、消灭之意),反质子和质子一起湮灭了。 乙:据我所知,湮灭是反物质的一个奇特的性质。当反粒子与粒子,或者反物质与物质碰到一起时会湮灭掉。但是这里的湮灭并不是把什么都消灭了。湮灭,会产生其它的正反粒子对,同时转化成巨大的能量。例如,一对正反质子湮灭释放出来的能量,比一个重原子核裂变或两个轻原子核聚变时释放出来的能量要大得多。所以有人想过,反质子可能是一种新的能源。但是,产生反质子是需要许多能量的。 甲:是的。我们再来说反物质吧。电子是最轻的带电粒子,它带负电,正电子是最轻的带电反粒子,它带正电。反核子是指反中子和反质子,它们组成反原子核。反原于核与正电子组成反原子,各种反原子可以组成各种反物质。 乙:我们知道,科学实验已经发现了许多反粒子。科学家曾分别在三十年代与五十年代在实验中发现正电子和反质子;1996年年初与年底,欧洲核子研究中心与美国费米实验室分别成功地研制出9个和7个反氢原子。 甲:人们都知道正电子是三十年代安德逊发现的。但是实际上最早和正电子打交道的是中国科学家赵忠尧。早在二三十年代,赵忠尧测量硬γ射线通过各种物质的吸收系数,发现当硬γ射线通过重元素时,实际的吸收量大大超过了理论计算值,他把这个现象称为“反常吸收”。当时,英、德两国几位物理学家也进行这种测量,三处同时发现了硬γ射线在重元素上的反常吸收,都认为可能是由原子核的作用所引起。为了探索这种反常吸收的机制,赵忠尧还进一步做新的实验,观测重元素对硬γ射线的散射现象。他发现,当γ射线被重元素散射时,除康普顿散射外,伴随着上面所说的反常吸收,还有一种特殊的辐射出现,他把这个现象称为“特殊辐射”。后来安德逊发现了正电子,人们才认识到,“反常吸收”实际上是γ射线在物质中产生正负电子对的效应;而“特殊辐射”实际上是正负电子对的湮灭辐射。因此我们说赵忠尧是研究反物质的先驱者。 乙:人们已经在实验室里产生各种反粒子,那么为什么还要探索宇宙反物质呢? 甲:在我们周围并不存在稳定的反物质。实验室里能够用加速器产生极少量的反粒子,但它们很快就和物质粒子碰撞而湮灭了,此外,还有一些不稳定的放射性原子核会放射出正电子,它们也在物质中和电子湮灭了。所以我们平时见到的都是物质却见不到反物质。 乙:我听说,狄拉克曾经指出:如果我们接受正、负电荷之间完全对称的观点,自然界中基本物理规律对于正、反物质有对称性,那么可以认为地球上(以及整个太阳系中)带正电的质子和带负电的电子占绝对优势的情况是一种偶然性,在某些天体中,情况将可能与此完全相反,在那里,可能是反质子和正电子占绝对优势。如果自然界中物质和反物质完全对称,则宇宙中天体和反天体可能各占一半。 甲:我们的地球是物质,我们的太阳系是物质,按照“完全对称”的道理,应该有与它们对应的反物质,就是说应该有一个“反地球”,也应该有个“反太阳系