作者：职业培训 时间： 2025-01-10 11:13:55 阅读：966

朋友们，大家好！

常理告诉我们，人类居住的蓝色小行星以 每秒29.97公里 围绕太阳公转，而太阳又以每秒 220 公里的速度围绕银河系中心（超大质量黑洞 人马座A* ）旋转。

在可观测宇宙中，星系系统的总数可能达到一千亿个以上（包括银河系）。从地球上看，它们是微小的雾状斑点。随着越来越远离银河系，超越可观测的宇宙，将会看到由星系构成的庞大“宇宙网”串成丝状或卷须状。宇宙网的丝状物是由暗物质维系在一起的，它被认为是由宇宙中密布的漏斗形的星系、气体和暗物质构成，仿佛混沌的“星系际高速公路”。

是的，相对于渺小的人类来说，宇宙可能永远是神秘的，但这不是人类停止 探索 宇宙奥秘的理由。人类可以对其结构做出各种假设，但对它的真正了解可以说是九牛一毛。就拿科学家们称之为可观测宇宙的这一部分来说，如果当今的物理定律确实是人类所想的那样是对称的，那么在宇宙大爆炸中必须创造相同数量的物质和反物质。但是，为什么科学家们 观测到的宇宙中物质远多于反物质呢？

这是目前物理学没能很好解释的一个问题，也算属于前沿物理了。

大爆炸应该在早期的宇宙中产生等量的物质和反物质。但是今天，人们看到的一切 几乎都是由物质构成的。另一方面，反物质却很难被探测到。此外，物理学中最大的挑战之一是搞清楚反物质发生了什么，以及为什么物质和反物质之间不对称。

在该领域内，最先提出“反物质”的是 英国 理论物理学家 ， 量子力学 的奠基者之一保罗·狄拉克 （Dirac），他为了描述电子（自旋为1/2的粒子）的运动而提出了Dirac方程，通过解这个方程发现，每一种粒子（自旋1/2的粒子）都必定存在其对应的反粒子，反粒子和粒子的质量完全相同，但是电荷等属性完全相反（注意与暗物质区分）。随着理论和实验的发展发现，不管自旋为多少，每一种粒子都有其对应的反粒子（特殊情况下，反粒子可以为其本身，如光子）。

单纯的从狄拉克方程（Dirac Equation）来看，物质和反物质的地位是完全等价的，不存在谁比谁更优先，两者是互为反物质，也就是说，物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的，也就说二者存在的数量总和应该相等。但是天文观测数据却显示，在可观测的宇宙范围内，二者严重失衡，只发现了正物质，没有反物质。这种不平衡主要体现在正反重子的不平衡上。假设宇宙中有反物质存在的区域，那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭，产生很强的伽马射线，但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。其它的观测也给出了相同的结果。

正如欧洲核子研究中心（CERN）研究表明，反物质（或反物质粒子）与物质中的粒子具有相同的质量，但电荷等性质相反。例如，带正电的电子是带负电的电子的反粒子。

简单地说，物质和反物质总是成对形成的。物质由原子构成，反物质由反原子构成，原子核内带正电，核外带负电，而反原子恰恰相反，故物质与反物质相结合就会湮灭，产生大量能量。在 大爆炸的 瞬间 ，炽热而密集的宇宙间粒子和反粒子对不断出现和消失。根据 狄拉克方程（ Dirac Equation） ， 如果物质和反物质同时诞生又一起消亡，那么宇宙中似乎应该 只剩下能量。

事实上，常规能量是不能转化为物质的，而只能在各个物体之间转移和各种能量形式之间进行相互转化。但是，极高温度的能量（比如宇宙大爆炸瞬间），在扩散冷却时，能量是可能转化为物质的。

是的，这就是人们今天看到的世界。有趣的是，在过去的几十年里，粒子物理实验表明，自然定律好像并不适用于物质和反物质。

那么从现有的理论上该怎么解释这个现象呢？1967年前苏联物理学家萨哈洛夫（Sakharov）就提出了动力学产生宇宙正反物质不对称, 即重子数产生（baryogenesis）机制所需要的3个条件：

重子数的定义：正物质重子数 减去 反物质重子数。第一条是很显然的，若重子数守恒，那么正反物质永远是对称的。第二条，C不对称是正反粒子交换的不对称，CP不对称是正反粒子交换、左和右交换联合的不对称。只要C或CP中的任意一个对称性存在， 重子数破坏的反应过程就会产生相同数量的重子和反重子。第三条，由CPT 定理(T是时间反演)可知，正反粒子质量相等。如果处于热平衡，重子与反重子将具有相同的热分布, 因而会有相同的密度和数量。

众所周知， 重子是由三个 夸克 （或者三个 反夸克 组成反重子）组成的 复合粒子，而最常见的重子包含 有组成 日常物质原子核的质子和中子。

看到这里，可能有些看官已经猜到了，中子是对分子没有太大影响的重基本粒子，其大小只有分子的百万分之一，同时又是分子的一部分。

自然界中的大多数原子都包含一个对称的球形原子核，且中子和质子均匀分布。但在一些放射性元素中，如镭，原子核呈奇异的梨形状，内部中子和质子分布不均。 物理学家假设这种形状的扭曲可能会加剧对称 性 的破坏，导致宇宙中物质的产生。

今年 5 月，麻省理工学院的物理学家基于在欧洲核子研究 中心（CERN） 的粒子加速器中产生的非常小的放射性分子有了一些惊人的发现。研究人员认为，这些新型放射性分子可以揭示为什么宇宙中的物质多于反物质。

放射性分子似乎是一个很好的突破口，开始为困扰现代物理学的基本问题之一（即： 为什么物质和反物质之间不对称 ）提供解决方案。但这些不是普通的放射性分子，它们只存在于中子星或超新星的合并中。

事实上， 对人类而言， 这些分子是第一次在地球上被创造出来的。

最关键的是，放射性分子的中子数，物理学家们能够测量中子对其分子能量的影响。事实上，这本身就是一项科学突破。

首先，科学家们必须创造一种新分子。他们对单氟化镭 (RaF) 特别感兴趣，这是一种不稳定的放射性分子，在其产生后仅几秒钟就存在。

正如《今日宇宙》在参考这项研究中所写的那样，在去年首次成功创造出这种不稳定的放射性分子之后，物理学家们提请注意由其组成的各种同位素，它们含有不同数量的中子。

为了制造它们，科学家们开发了一种由碳化铀和氟化碳制成的圆盘。在欧洲核子研究 中心（CERN） 的粒子加速器中被低能质子束击中后，研究人员发现了一个名副其实的新分子乐园，其中包含 5 种不同的 RaF 同位素。

为了捕获这些寿命短暂的同位素，物理学家使用了一系列离子陷阱（包括激光和电磁场）来隔离它们，并分别测量了这 5 个分子的质量，以计算它们各自包含多少中子。然后用另一束激光测量每个分子的量子态，令人惊讶的是，一个中子的差异可以对其所在分子的整体量子态产生可测量的影响。

放射性分子是由至少两个或多个 原子组成的放射性原子。 每个原子都被一团电子包围， 这些电子共同在分子中产生一个极高的电场， 物理学家们认为这可以增强微妙的核效应，例如破坏对称性效应。然而，除了某些天体的物理过程（如中子星爆炸），这些放射性分子在自然界中并不存在，因此必须人工创造。

因此，在最新的研究过程中获得的结果表明，诸如 RaF 之类的放射性分子对核反应非常敏感。它们的敏感性可能会揭示更微妙的、以前从未见过的效应，例如微小的核对称破坏特性，这可能有助于解释宇宙中物质和反物质数量之间的差异。

这项新发现，无论对各位看官来说是多么的困难和不可思议，都可能成为解开物质和反物质以及暗能量之谜的关键。然而，科学家们肯定还有很多工作要做，希望中国的科学家也是其中的重要玩家。

也许更大的粒子加速器真的能帮助人类回答关于宇宙的基本问题，谁知道呢？

（本文完结）

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文章来源：天狐定制

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