為什麼反物質沒有消滅我們的世界,中子究竟有什麼神奇的力量?

2020-12-18 科學之門

經過蘇塞克斯大學和其他地方的研究人員20多年的努力,一項旨在解決過去50年宇宙學中最深刻問題之一的實驗終於有了一個結果:即為什麼宇宙包含的物質比反物質多得多的問題。

事實上,為什麼反物質不能消除所有的物質?近期,蘇塞克斯大學的科學家們更精確地測量了中子的一種性質。這項研究的主要目的就是反物質為什麼沒有消滅宇宙中剩餘物質。也就是說,為什麼在大爆炸中產生的所有反物質並不僅僅抵消了其他的物質,也就是我們目前的宇宙和我們所處的世界。

為什麼物質仍然存在於宇宙中而沒有被反物質消滅呢?要想弄清楚這個問題,英國科學技術設施委員會(STFC)的盧瑟福·阿普爾頓實驗室、瑞士的保羅·舍雷爾研究所(PSI)和其他一些研究機構,他們正在研究中子是如何工作的。

在這之前,物理學家小組發現,中子的實體數據模型明顯小於關於物質為什麼留在宇宙中的各種理論所預測的實體數據模型;這與實驗的觀測是不相符的,所以它們必須被改變,或者找到新的理論。只有弄清楚這個問題才能有助於科學家更接近物質存在的原因。在實現開始之前,科學家們普遍認為中子或多或少具有「磁鐵」的性質。

中子的形狀是什麼樣的?答案是中子的形狀被認為有點不對稱,不像原子是原型結構的,而是有點像條形磁鐵,兩端是具有正負極。這也是研究小組所尋找的。這項實驗匯集了原子和低能核物理的技術,包括基於雷射的光學磁強計和量子自旋操縱。通過使用這些多學科工具極其精確地測量中子的性質,我們能夠探索與高能粒子物理學有關的問題以及宇宙下面對稱性的基本性質。」

01實驗經過了50000次測量

中子極其微小,因此極難測量。其他研究人員先前的測量也證實了這一點。特別是,在最近的一次測量中,研究小組不得不竭盡全力保持局部磁場非常恆定。例如,每一輛卡車在研究所旁邊的道路上行駛時,都會在一個對實驗意義重大的尺度上幹擾磁場,因此這種影響必須在測量過程中得到補償。

此外,所觀測到的中子數量必須足夠大,以便有機會測量。這些測量持續了兩年。測量了所謂的超冷中子,即速度相對較慢的中子。每300秒,就有1萬多個中子被引導到實驗中,並進行詳細的檢查。研究人員測量了總共50000條這樣的束。

02制定了新的國際標準

研究人員的最新研究結果支持並增強了他們的前輩:一個新的國際標準已經制定。中子工作的模型的尺寸仍然太小,無法用迄今為止使用過的儀器進行測量,因此一些試圖解釋物質過量的理論變得不太可能。因此,目前的謎團依然存在。

03為「新物理學」打開了大門

就是為了這些實驗,科學家們開啟了微觀世界的大門,它將超越所謂的標準物理模型,該模型規定了所有已知粒子的性質。這也是歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)等大型設施實驗的主要目標。20世紀50年代最初為第一次中子加工測量而開發的技術導致了原子鐘和核磁共振掃描儀等改變世界的發展,時至今日,它仍在粒子物理領域保持著巨大而持續的影響。

通過對微觀世界的觀察,科學家們將會更加清晰地為我們呈現我們所生存的世界,如果不是他們,我們也不會了解反物質為什麼沒有侵吞我們的世界,中子似乎在保護著我們的宇宙。

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    科學家推測,宇宙中就有這樣的物質,它存在於中子星的核心被稱為奇異物質。要想知道奇異物質是什麼?那就要從最基礎的中子星開始說起。 當恆星核心的核聚變停止時,由於沒有力量來抵抗恆星的引力,它開始發生重力坍縮,內部的粒子會在強大的壓力下緊緊壓縮在一起,最終電子被壓進質子裡,質子融合在一起形成中子。原子內部全部都是緊挨著的中子,為了阻止進步的坍縮,中子間的斥力開始和它們自身的引力做博弈。如果引力戰勝了斥力那恆星就會變成黑洞,反之,它就會成為一顆中子星。
  • 什麼是普通物質、反物質、暗物質和暗能量?
    接下來說反物質我把反物質放在物質之後是因為從字面上來說,你應該能夠理解反物質其實就是組成我們普通物質世界的一個反面,所以接下來說反物質,應該也很好理解。反物質目前在我們的宇宙中,據我們的觀察是不存在的(後面會說原因),所以我們發現反物質之前在宇宙中存在過肯定不是通過觀察得出來的結論,而是先通過理論預言出來的,上實際20年代,狄拉克在它的方程中首先預言了反電子的存在,隨後在30年代,安德森在雲室中發現了反電子的運行軌跡,驗證了狄拉克的預言。至此我們就直到了我們的普通物質世界存在一個反世界版本。
  • 反物質和暗物質有什麼區別?
    物質構成了宇宙,大到整個宇宙,小到我們身邊周圍,物質無處不在,那麼物質的本質是什麼? 138億年前,奇點大爆炸之後,誕生了正物質,反物質,暗物質等,很多人經常把暗物質與反物質混在一起,但暗物質不是反物質,它們之間也沒有什麼聯繫,下面我們來介紹一下這兩種物質。
  • 反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?
    我們在平時經常會聽到反物質,暗物質,暗能量等詞彙,這些其實都是物理學中的概念。那它們之間有什麼區別,又和我們這個世界的一般物質有什麼關係呢? 今天,我們就來說說這個問題。
  • 「虛無縹緲」的反物質是什麼?它們是以什麼形態存在於宇宙中的?
    比如,有帶負電荷的負電子,就有對應的帶正電荷的正電子;有帶負電荷的質子,就有對應的帶正電荷的反質子;有中子,就有對應的反中子。所謂反物質,與自然界存在的物質相反,是由帶負電的原子核和帶正電的電子組成的。反物質還有一個重要特性,就是一旦它與物質相遇就會釋放出極其巨大的能量,並且雙雙消失在爆發之中。這種現象被稱為「湮滅」。
  • 為什麼今天的宇宙是由物質組成的,而不是反物質?
    來源:新浪科技新浪科技訊 北京時間4月27日消息,據國外媒體報導,為什麼今天的宇宙是由物質組成的,而不是反物質?來自中微子研究的新證據為解答這一難題提供了線索。宇宙一開始既有物質又有反物質,後來就只剩下了物質,這是為什麼?這個問題是物理學中最難解的奧秘之一。
  • 如果我到中子星上能不死,抓起一把地上的物質,會是什麼體驗?
    有人提了一個印象主義的問題:假如我被送到中子星上卻沒有死,伸手抓起一把中子星的物質,會是怎樣一種體驗?這個問題真的讓人很無語。中子星是恆星燃料燃燒殆盡後,坍縮形成的緻密天體。然而就是這麼小的一個球體,卻濃縮了超過我們整個太陽系質量的巨大物質量,其表面的任何條件都是極其極端的。比如其溫度大約是60萬度,引力是地球的1000億倍,所有的電子都被壓進原子核裡,和質子結合在一起形成中子,緊緊地擠在一起,一塊方糖大小的中子星物質,質量就有10億噸,相當於地球上的一座大山。
  • 反物質和暗物質到底是啥玩意,它們真的存在於我們的世界嗎?
    反物質在我們世界存在十分稀少,所以才能夠讓我們這個世界穩定。否則豈不隨時都湮滅了?再來說說暗物質。暗物質是上世紀發現宇宙中充滿著的一種看不到的物質。我們宇宙的所有天體都是在萬有引力的作用下運行的,星系也是由於引力作用而凝聚在一起。但大量的天文觀測中發現,一個星系可見質量不足以使星系保持現在這種樣子,與牛頓萬有引力定律不符,其中必有一種力量在發生著主導作用。
  • 觸摸「反物質世界」的大門,只需要你手中的香蕉
    這也就是為什麼《天使與魔鬼》中的「光照派為什麼要偷取歐洲核子中心實驗室中的反物質製造反物質湮滅彈試圖毀滅梵蒂岡。但是電影中卻沒有告訴你,」光照派」是用什麼容器盛放反物質的。不過幸運的是,從技術上來說要製造和保存即使是0.5克的反物質,也幾乎是不可能的。
  • 人類是如何知道原子的存在的,它是如何構築了我們的物質世界?
    你可能聽說過,大千世界都是由微小的原子構成的。你或許也知道,我們無法用肉眼看到它們。但原子確實存在,並與每樣事物發生相互作用,構築了我們的世界。但是令他驚奇的是,有一些射線被反彈回去了。 盧瑟福推測,金屬箔中的原子必定有一些小而緻密的區域,這些區域帶正電荷,因為除此之外沒有什麼能夠以這樣的強度反射射線。他發現了原子中的正電荷,並且證明正電荷不同於離散的電子,它們緊密地擠在一個很小的空間中。換言之,盧瑟福證明了原子中存在一個緻密的核。 可是,又出現了新的問題。
  • 62.5萬億美元1克,一億年才能生產1克,反物質為何如此神奇?
    提到世界上最貴的物質,大家的本能的反應是什麼?大多數人可能會脫口而出說鑽石,畢竟我們真的深受廣告的影響。但是有比這單價高得多的物質,比如稀有元素鉲,一克價值2700萬美元,合約人名幣1.8億元。這真的是天價了。但是這個價格和我們今天介紹的物質相比,真的是小巫見大巫了,它就是目前實驗室裡才會出現的物質—反物質。反物質價格到底有多高,我們放在後面說,這裡我們先了解一下「反物質」究竟是什麼?是什麼導致它如此的昂貴。
  • 中子電偶極矩測量結果出爐,遠小於預測值,物理學需要新理論了
    蘇塞克斯大學(University of Sussex)的科學家已經比以往任何時候都更加精確地測量了中子的特性,中子是宇宙中的基本粒子。他們的研究是對宇宙中為什麼還有剩餘物質的調查的一部分 -為什麼大爆炸中產生的所有反物質都消失了,而只有正物質保留了下來。
  • 高能湮滅的反物質粒子,宇宙某處是否有一種完全相反的世界?
    我們生活中的物質在微觀世界中都是由分子與原子組成,原子又由帶負電的電子和帶正電的原子核組成,如果是帶正電的電子和帶負電的原子核結合就是反原子,由反原子組成的物質就是反物質。1995年歐洲科學家將反質子射流極速射向氚原子核產生正電子,正電子和反質子形成了反氫原子,但因周圍存在很多正物質導致正、反物質瞬間湮滅消失。雖然最後未能保存,但這是人類第一次製造出反原子。反物質能否單獨存在科學家們一直認為在宇宙之初就形成了等量的正物質和反物質,但從今天來看我們的世界全是由正物質組成的,反物質似乎莫名消失了。
  • 中子和氫原子都是由一個質子和電子組成,它們的性質為什麼不同?
    自大爆炸產生宇宙以來,這個世界一直是熵增的,即從有序走向無序,能量總是耗散的,即從質量轉化為能量易,而由能量轉化為質量難。宇宙大爆炸後,先有的中子,後有氫原子大爆炸初期,隨著溫度下降,先有的中子,後有的氫原子,這意味著由中子轉變為氫原子較易,由氫原子轉變為中子難,這是不可逆的熵增原理在起作用。
  • 反物質有黏性嗎?科學依據是什麼?
    但是,如果我們問「是什麼原因導致了這些物理特性」,那麼我們必須一直深入到微觀世界,以了解真正發生的事情。在微觀尺度上,遠低於人眼所能看到的極限,一切都是由原子構成的。這些原子結合在一起成為分子,然後通過原子間力將它們結合在一起,構成我們在傳統經驗中相互作用的大型物體。
  • 造價昂貴的反物質,究竟有多可怕?
    然而,隨著科技的發展和人類的進步,科學家們發現宇宙中還存在遠遠比核武器更可怕的力量,這就是今天要說到的反物質。相比反物質,原子彈和氫彈轉化率太低大家知道物理學中「守恆」定律很重要。質能轉化的極限,一克威力就超乎想像科學家發明了造價千億的粒子對撞機,物理學家們利用這種裝置來收集「反物質」,由於反物質造價昂貴、創造過程複雜且難以保存(短暫存在,碰到物質就湮滅,需要人為幹預才能保存),所以「反物質」成了世界上最為昂貴,同時也是目前人類認知範圍毀滅力最強的能源
  • 四大基本力從微觀到宏觀來看,它們是怎樣左右我們的世界?
    有一些物質存在於宇宙中,例如電子;也有一些反物質,例如正電子;還有一種物質,即非物質和反物質。這是物質之外的東西,沒有比電磁輻射更常見的例子了。從γ射線、X射線、紫外線到可見光、紅外線、無線電波等各種電磁輻射都含有各種能量的光子。
  • 既然黑洞看不透,為什麼中心不是物質,而是奇點?
    粒子與維度要搞清楚黑洞內部是什麼,我們先要搞清楚物質是什麼?零維為點,一維為線,二維為面,三維為體。在我們的世界中所見的物質都是三維的。我們熟知物質是由原子構成的,在更小的尺度上你會發現原子核中的質子與中子中還存在更小的粒子。
  • 一克62.5萬億美元,威力碾壓原子彈,反物質為何如此神奇?
    反物質是世界上最貴的東西,一克反氫原子的成本,高達62.5萬億美元,而這種只能在粒子加速器中,被微量製備的物質,也是全宇宙爆炸威力最大,能量釋放最徹底的物質,沒有之一。根據質能方程,能量等於質量,乘以光速的平方。
  • 暗物質衛星上天 揭秘暗物質是什麼?
    常進說,「衛星除了尋找暗物質外,還是一個宇宙射線望遠鏡,可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發現了將近100年,但那麼高能量的宇宙射線究竟來自於什麼?人類到現在也沒有弄清楚,這很奇怪。」常進說,尋找暗物質需要全世界科學家的共同努力,何時能發現暗物質尚難以預計。至於發現暗物質後能如何利用,常進說,量子物理剛發現時,人們認為一點用處都沒有,但是現在什麼都與量子物理有關係。