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狄拉克与反物质

1908年6月30日清晨在俄国荒凉的西伯利亚通古斯河附近发生了一次巨大的爆炸。 《自然》上的一篇论文提出通古斯大爆炸是由反物质引起的。 当反物质遇到物质,就会湮灭并释放出能量。

(图:通古斯大爆炸)

来自2011/05/25/-05/26/ 小宇宙百科11145-11146

孙庆/编 清凌/配图

1908年6月30日清晨在俄国荒凉的西伯利亚通古斯河附近发生了一次巨大的爆炸。爆炸的火球使天空的太阳显得暗淡无光,两千平方公里的森林被烧掉,几千棵大树被连根拔起。据估计,这次爆炸的威力相当于摧毁广岛的原子弹的一千倍!至于爆炸原因,则众说纷纭,普遍认为是来自外太空的巨大陨石所致,但无法解释的是爆炸的地点却没有巨大的陨石坑。直到1965年,《自然》上的一篇论文提出了一种全新的观点—通古斯大爆炸是由反物质引起的。

(图:狄拉克)

反物质是什么?就必须从狄拉克和他的相对量子力学说起。狄拉克是二十世纪最伟大的物理学家之一,但他却对出名避之唯恐不及。他曾想拒绝过诺贝尔物理学奖,但是当时卢瑟福对他的的劝说极为有力:“如果你真这样做,你会更加出名,人家更要来麻烦你。”他只有乖乖地去领奖。在剑桥读书时,狄拉克一直致力于将描述宏观世界空间与时间关系的相对论与研究微观世界物理现象的量子论结合起来。他每天一边散步一边沉思,夜深人静时做演算和推导。可是每次作为他研究出发点的克莱因戈登方程都把他领入死胡同,致使长久没有突破。终于有一天在壁炉旁冥思苦想时狄拉克灵光一闪,克莱因戈登方程是错误的,于是著名的狄拉克方程诞生了。当狄拉克将这个著名方程应用到电子上时,惊奇的发现了对应负能量状态的解!经过缜密的思考,他于1931年断言负能量解实际上对应的是与电子相反的另一种反粒子,也就是反物质。当反物质遇到物质,就会湮灭并释放出能量。即使质量很小,由于光速很大,释放出的能量也是极为可观的。这就是用反物质解释通古斯大爆炸的理论基础。

(图:欧洲大型强子对撞器)

然而,在现实生活中,我们并无法找到与我们这个宇宙相对应的那个“反宇宙”。那么反物质究竟在哪里呢,它是否真的存在?几十年来科学家们为了验证反物质的存在做出了各种各样探索。就在今年5月18日,美国奋进号航天飞机把由华裔物理学家丁肇中主导研制的阿尔法磁谱仪送到了国际空间站,它的两个主要目的就是探究反物质和暗物质。对于反物质目前较通行的观点是物质反物质产生于宇宙生成之初,在宇宙发展过程中,反物质统统消失了。为了验证这一观点,欧洲核子研究组织的大型强子对撞器(LHC)专门设计了一个探测器来探究反物质,LHC在2008年开始运转,预计将于2013年达到最高设计能量,那时两束高速运动的质子将迎头相撞,人们能看到相当于宇宙诞生后两百万亿分之一秒的状态,如果那时观察到物质与反物质是对称的,并且追踪到其后物质如何战胜反物质,那么反物质之谜就解开了。相反如果物质反物质不对称,那么就有可能需要更大的粒子加速器带我们回到两百万亿分之一秒之前去验证,当然也有可能是宇宙大爆炸模型本身有问题,宇宙的历史需要重新改写。孙庆/编·从蒸汽机到组织行为学

编者 孙庆

穷酸闷骚苦逼工科男

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