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宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

类别:社会 发布时间:2024-06-04 09:56:00 来源:观察宇宙

物理学家认为,宇宙中的一切都是由三种基本的物质构建的,它们是质子、中子和电子,这三种物质的排列组合产生了宇宙中的一切。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

从地球到火星到仙女座星系,甚至是到宇宙的边缘,我们依然能看到由这三种基本粒子构成的物质,然而对宇宙学家来说这里隐藏着一个谜团:为什么我们的宇宙中有这么多正物质,反物质却几乎不存在呢?

这就是对称性破缺,即宇宙大爆炸瞬间产生的正物质和反物质的量不一样,正物质没有完全湮灭,这才产生了我们看到的宇宙。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

反物质听起来像是科幻小说中的概念,但它是非常真实的,它是粒子物理学标准模型的一个关键部分,1932年,Carl D. Anderson在加州理工学院使用云室和磁场进行的实验中首次探测到了反物质。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

从物理特性上看,反物质除了电子外其他跟正常物质完全一样,但也正是因为反物质的电子和正常物质相反,所以它们在接触后就会互相抵消,或者说湮灭,并在此过程中把百分之百的质量变成能量释放出去,相较之下核聚变的质能转化率只有0.7%。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

后来的研究结果表明反物质的质量和普通粒子完全一样,研究反粒子受到电磁力的影响时,实验再次发现它们的行为与普通粒子完全相同,只是电荷相反,但当物理学家开始研究弱相互作用力时,他们意识到反物质粒子和正常粒子存在非对称性。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

尽管反物质在某些方面与物质表现出了不同,但关于它是否遵循与物质相同的重力定律,一直是科学界的一个未解之谜,CERN的物理学家进行了实验,试图确定反物质是否与物质一样受到重力的向下拉扯,或者它是否会表现出不同的重力特性。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

在CERN进行的ALPHA实验中,科学家们首次在地球表面上获得了反物质的重力加速度的实际数据,实验结果显示,反氢原子大约有75%通过实验室容器的底部逃逸,表明反物质受到向下的重力拉扯。

也就是说在目前的情况下,反物质并不具备反重力,它未来也许只能被当做是质能转化率百分百的能源,而不是反重力的源头。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

尽管反物质在弱相互作用中与物质表现出了差异,但这些差异并不足以解释宇宙中物质与反物质的巨大不对称性,我们仍然不知道在宇宙大爆炸瞬间究竟发生了什么,为什么正常物质会比反物质更多。

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

如果未来我们能掌握反物质的产生和湮灭机制,也许能帮助我们更好地掌握宇宙早期的条件,以及物质和反物质不对称性的起源,而暗物质和暗能量这宇宙中两个最大的谜团,也许跟反物质也有一些关系。

总体来看

宇宙学最大的谜团:对称性破缺,为什么几乎不存在反物质?

反物质触及了物理学的许多基本问题,从宇宙的起源和结构到基本粒子的性质。随着实验技术的进步和理论研究的深入,我们对反物质的理解将不断增进,可能会在物理学乃至其他科学领域引发革命性的变化。

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快照生成时间:2024-06-04 12:45:14

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