反物质和反电子的问题

反物质和反电子的问题

反物质,就是所构成物质的微粒的带电性与我们平时所学的微粒的带电性相反的粒子.
如：我们知道电子是带一个单位负电的,那么反电子就是带正电的电子.
反物质还有：反质子,反分子等
美国航天飞机"发现号"于美国东部夏令时间1998年6月2日下午18时零6分在佛罗里达州卡纳维拉尔的肯尼迪航天中心成功发射升空."发现号"航天飞机上的人员探索宇宙奥秘非常重要的一台仪器——"阿尔法"磁谱仪,将设法实现科学家们一项雄心勃勃的计划：探索可能存在的反物质,揭开暗物质的神密面纱.这台仪器未来几年的探测结果,有可能会影响人类对宇宙的由来和发展以及对世间万事万物到底是如何构成的认识,以及人类将如何向浩瀚无垠的外太空开拓探索的进程.
科学家们假想,我们存在的物质世界有一个"孪生兄弟"——反物质世界反物质世界虽然和物质世界质量相同,但其所带的电荷或其它粒子的物理属性却完全相反.科学家还猜测,宇宙中有一种人类用任何光学仪器都无法观测的物质——暗物质.这种不着边际、难以捉摸的"宇宙怪客"竟然占到了宇宙总质量的90%,可人类至今也无法证实它.
要说清楚反物质,首先得弄明白他的物质上世界,人类所能见到的一切事物都是物质.物质都是由原子组成的,而原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成.与物质相对应的,科学家认为,反物质是由反物质原子组成的,而反物质原子是由带负电的原子核和带正电的电子组成.也就是说,组成反物质原子的微粒的带电属性与物质原子正好相反.如果物质和反物质一旦相遇,组成它们的原子核和反原子核、电子与反电子就会立即"同归于尽",全部消失,化为一道眩目的强光,并释放出巨大的能量.物理学上将这种现象称为"湮灭".
湮灭同人们通常见到的打雷闪电完全不同.闪电是物质世界中正负电子由于中和而产生的强烈能量释放现象,物质本身并没有损失.而湮灭则是物质和反物质的质量的完全释放,其产生的光和释放的能量的强度都是闪电所难以比拟的.当然,物质和反物质湮灭过程中会产生巨大的能量和光子,只是从重质物质转化成为轻质物质,其质量只是得到了极大的释放,并未消失.
人类目前只是已经在实验中"制造"出了带有反物质性质的带正电的反电子以及带负电的反氢原子核,但迄今为止还没有探测到自然存在的反物质.地球上是没有反物质的,因为如果有的话也早与物质"湮灭"掉了.人类已经登陆成功的月球也没有反物质.因为如果有的话,当年踏上月面的美国宇航员阿姆斯特朗就不会从容说出"这是我个人的一小步,却是人类的一大步"的名言了——他最后奉献给地球上数十亿观看现场直播的观众们的很可能是一道眩目的强光罢了.太阳系中的其它星上同样也没有反物质,因为科学家们已经通过观测证实,太阳发射出来的太阳风粒子在撞击太阳系行星及其它小天体时都没有发生湮灭现象.就是在广袤的银河系及人类所能观测到的有限的宇宙空间中,人类也还未发现反物质.也就是说,自然界中如果存在反物质的话,也只可能存在于人类尚未认知的某些宇宙隐秘处.
那么,怎么样才能探测到宇宙中是否真有反物质的存在呢?这正是此次由——"发现号"携带升空的"阿尔法"磁谱仪的"职责"所在.
"阿尔法"磁谱仪是由美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授领导的一个大型国际合作科学实验项目,美、中、俄、德、法等十多个国家和地区的科学家参加了这个项目的工作."阿尔法"磁谱仪的核心部分是一块大磁铁,而这块永磁铁是由中国科学家研制的.
1994年秋,中国运载火箭技术研究院总体设计部获悉丁肇中教授拟着手进行一项当代物理学界最热门的研究计划：寻找可能存在于宇宙中的反物质和暗物质.经过激烈的投标及国际间的初步技术协调,1995年6月,中国被选为"阿尔法"磁谱仪主结构的设计、生产及相应的环境模拟试验的研制单位.经过两年多不懈的努力,中国运载火箭技术研究院高水平、高质量地按期完成合同任务.并于1997年11月通过了美国国家航空航天局（NASA）第一阶段的安全评审,并破例取消了第三阶段的评审,受到了丁肇中教授和美国航宇局的高度赞扬.
作为"阿尔法"磁谱仪核心部分的永磁铁将是人类送入太空的第一块磁铁.它直径为1.2米,长0.8米,重2号,磁场强度达到1400高斯,相当于地球磁场的2800多倍,如此强大的磁场使对宇宙中的带电物质进行探测,捕捉到可能存在的反物质的踪迹成为可能.
"阿尔法"磁谱仪的工作原理就是要发现反物质原子,进而验证是否有反物质世界的存在.科学家们认为,如果反物质世界存在的话,它就应该会发出反物质宇宙原子射线,以接近光的速度在宇宙间飞弛.这种反物质原子的反原子核带负电,与其外部带正电的反电子正好抵消,使反原子外表不带电.而不带电的粒子是很难探测到的.但是,反物质原子在漫漫旅途中要穿过重重阻隔,这使其中一些反物质原子可能把其反电?quot;丢掉"了.这样,反物质原子中反原子核中的负电就显现出来了."阿尔法"磁谱仪的功能就是捕捉宇宙空间这种因为"丢掉"了反电子而呈现负电性的反物质原子.
物质世界中氢原子占了总量的73%,其次是氦原子,占了24%,按照反物质与物质相对称的原理,反物质世界中反氢原子也应占其总量的73%,反氦原子占24%.也就是说,占反物质世界绝大部分质量的反氢原子中因"丢掉"反电子而呈负电性的反氢原子核被"阿尔法"磁谱仪探测到的可能性应该最大.但是反氢原子核实在大简单了——这实际上就是一个带负电的反质子.而物质世界中粒子的碰撞也可能产生反质子,所以,即?quot;阿尔法"磁谱仪探测到了单独反质子的存在,也不能确认它到底是来自物质世界还是反物质世界.于是,质量排在第二位的反氦原子核就成为最有可能被"阿尔法"磁谱仪探测到的反物质子核了,反氦原子核比反氢原子核要复杂得多.
圆柱形的"阿尔法"磁谱仪永磁体中间的空心部分是6层硅探测器,两头还各有一个闪烁体.6层硅探测器能够把通过磁谱仪的带电粒子的各项数据,比如电荷量及运动速度和轨迹等准确记录下来.如果带负电反氦原子核进入磁谱仪,它首先会在一端的闪烁体上形成光点；随后在永磁体产生的强大而均衡的磁场中向左发生偏转,6层硅探测器将记录下它运行的印亦；当它空出磁谱仪时还会在另一端的闪烁体上形成光点.将2个光点及硅探测器记录下来的6个印迹连起来,就能得到反氦原子核运行的轨迹了.
但是,可能来源于物质世界的反质子和电子也可能在磁谱仪中留下向左偏转的运行轨迹.这时候,将反氦原子核与反质子、电子区分开来就得靠它们之间巨大的质量差异了：反质子的质量是电子的2000倍,而反氦原子核的质量是电子的8000倍.也就是说,质量大的反氦原子核在磁谱仪中发生偏转的幅度要大大低于反质子和电子的偏转,这从它们运行的轨迹上很容易区分出来.
"阿尔法"磁谱仪的探测结果将对本世纪科学家们有关宇宙产生的"大爆炸"学说的正确性产生决定性的影响.本世纪20年代,美国科学家哈勃首先发现了宇宙在不断膨胀的事实,但当时这一发现并没有引起足够的重视.1948年,苏联科学家伽莫夫根据宇宙不断膨胀的事实,首先提出宇?quot;大爆炸"学说.这一学说是根据爱因斯坦著名的质能方程推测出的,每当能量凝成物质的时候应该在以前没有物质的地方产生成对的粒子.对于每一个新产生的电子来说,必定会有一个正电子；对于每一个夸克来说,必定有一个反夸克,如此等等.大自然正是这样使万物保持平衡的."大爆炸"学说后来逐渐得到国际科学界的证实和认可,从而成为解释宇宙形成的最为权威的理论.
根据"大爆炸"学说,宇宙是在150亿年前的一次空前绝后的大爆炸中诞生的.
150亿年前的宇宙还是一团炽热均衡的气体,温度很高,密度很大,只存在一些基本的粒子."大爆炸"发生后,宇宙不断膨胀,温度不断下降,使原子核、原子、分子等生成成为可能,后来又在此基∩闲纬闪似?逶撇⒔?莼?纬闪诵窍狄约捌渲械暮阈恰⑿行堑刃翘濉L?粝稻褪窃谡庖还?讨杏诖笤?0亿年前形成的.
根据"大爆炸"理论,150亿年前宇宙"大爆炸"中产生的物质和反物质是基本等量的.但由于某些特殊的原因,后来形成的物质从总量上比反物质要多出了万亿分之一,并在物质和反物质的"湮灭"中残留了下来.不要小看这万亿分之一的差距——现在宇宙中所有物质天体就来源于这万亿分之一.
也就是说,此次"阿尔法"磁谱仪没有探测到反氦原子核的存在,那就说明"大爆炸"理论至少到目前还是正确的.可是如果"阿尔法"磁谱仪探测到了反氦原子核的存在,那么几十年来一直被认为是解释宇宙形成最好理论的"大爆炸"学说的正确性就将受到严重的挑战.
"阿尔法"磁谱仪将在距地面300公里的俄罗斯"和平号"空间站上进行100个小时的测试工作.
这次飞行将对磁谱仪的性能进行全面的测试,科学家们同时更希望这次短暂的飞行和探测能够带回人类意想不到的结果,大约2002年,"阿尔法"磁谱仪将重返太空,在由美国、俄罗斯、欧盟国家和日本合作研制建造的"阿尔法"国际空间站上"定居"下来,在那上面工作3-5年,探测反物质、暗物质,以及勘察人类所未知的宇宙奥秘.据科学家透露,"阿尔法"磁谱仪在国际空间站工作的几年中,将有上面亿个宇宙带电粒子穿过它.只要它能够发现一个反氦原子核,就可推断宇宙中存在着反星系,如果发现一个反碳原子核,则可推断有反星球的存在.
那么,发现反物质对人类社会来说具有什么实在的意义呢?是否会对人类的生活产生影响呢?科学家们认为,在尚未探测到自然存在的反物质之前还无法设想它会对人类产生什么样的作用.当然,也有的科学家已经在设想：如果让反物质和物质发生湮灭,产生的巨大的能量释放将造福于人类.