反物質、暗物質、負物質，都是什麼鬼？

2020-08-26 好奇心與狗

傳說，宇宙大爆炸初期，正反物質基本上是相等的，它們相撞互相湮滅，最後只剩下了那麼一丟丟的物質，而這一丟丟的物質最後就形成了咱們現在的宇宙。

宇宙大爆炸概念畫

這偌大的宇宙，咱是望不到頭了，更別說宇宙中還有很多根本看不見的暗物質呢，不過真要去宇宙的盡頭看一看，說不定蟲洞能有用。 emm，蟲洞嘛，要來個太陽質量的負物質，倒也能撐開一個一公裡大小的蟲洞了。

好吧，這胡言亂語都是些啥啊？反物質？暗物質？負物質？都是些什麼鬼？


為了跟人吹牛不被當小白，咱還是講講清楚，這些到底是什麼意思。


反物質

量子力學大宗師玻爾有三個最得意的徒弟，泡利，海森堡，還有狄拉克。狄拉克是個比較害羞的男孩，但是數學能力是槓槓的。1928年，他把相對論引入到了薛丁格方程，於是就得到了狄拉克方程。

保羅·狄拉克（1902-1984）

不過呢用狄拉克方程計算時需要開根號，於是就是出現負數。那這個負數有物理意義嗎？於是他預言了一種帶正電的粒子，除了電性和正常電子相反，其他性質都一樣，包括質量也是正的。

1932年，美國物理學家安德遜在觀察宇宙線實驗時，當宇宙射線進入雲室後，軌跡發生了彎曲，但是其中有一個粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是方向卻相反。恰好驗證了狄拉克預言的正電子。後來他又用γ射線轟擊的方法產生了正電子，在實驗上完全驗證了正電子的存在。


除了反電子，反質子也是類似，它帶有負電荷。一切物質都存在其鏡像的反物質，當正反物質相遇時即發生湮滅，會釋放巨大的能量，根據愛因斯坦智能公式E=mc^2。


暗物質

目前為止，還沒有觀測到暗物質。既然觀測不到，那又是誰大言不慚的說宇宙中存在暗物質呢？

暗物質藝術插畫

1933年，天體物理學家茲威基（Fritz Zwicky）在研究后髮座星系團時，他用兩種方法估算了星系團的質量。一種是觀測星系的運動速度，用牛頓力學來計算引力，從而估算質量，稱為引力質量。另一種是通過星系的亮度來估算質量，亮度越高則質量越大，這種方法算得的質量稱為光度質量。

后髮座星系團

他發現引力質量遠遠超過光度學質量。這就奇怪了，兩種方法那都是經歷了考驗的，那如何說明這懸殊的差異呢？

除非宇宙間存在不可探測的某種物質，它們的巨大質量產生引力，這樣才能彌補兩種方法計算的差異，於是他推斷宇宙間存在「暗物質」或者「暗能量」。

根據測算，暗物質和暗能量佔了整個宇宙的95%以上。

為了探測暗物質和反物質，在2011年，發射了阿爾法磁譜儀進入太空。其中永磁體部分是由我國提供，我國廣泛參與了該項目。

不過暗物質到目前為止還沒被證實或觀測到，僅僅有一些候選粒子，比如WIMP(弱相互作用重粒子)、軸子等。


負物質

在《》一文中，提到了負物質，小夥伴們表示蒙圈了，這負物質和反物質是一回事嗎？只聽過反物質，還真沒聽過負物質啊？

蟲洞概念圖

上面說到反物質是帶電性相反，質量一致，而這個負物質其實就是質量相反的物質。科普大牛基普索恩在他的著作中提到，想要讓蟲洞穩定的存在，需要用負物質產生的負引力來撐開。

怎麼看起來好像特不靠譜呢。

其實，在真空中，並不是真正的空，而是無時不刻都有微小的的擾動使虛粒子產生和湮滅，而虛粒子的產生湮滅又帶來擾動促使更多的虛粒子產生和湮滅。這就好像一片沸騰的粒子海洋，這些虛粒子就是正負粒子。惠勒將這種粒子叫做「量子泡沫」，這種現象也叫量子漲落。

在1948年，荷蘭物理學家卡西米爾提出一種現象，真空中兩片靠近的不帶電的中性金屬片，會出現吸引力。這是因為金屬板之間包含了正負能量的電磁波，當金屬板靠近時，其中一些能量粒子會被擠壓出去，使得周圍的能量高於金屬板之間的能量，也就是說這時候金屬板之間的能量是負的。

亨德裡克·卡西米爾（1909-2000）

這種現象被稱作卡西米爾現象，它說明了量子漲落現象的存在，從而間接說明了負物質、負能量的存在。不過這也只是一種對現象的推導或解釋，還並不是確鑿的證據。

當然，正負物質也是會相互湮滅的，不過由於總質量是0，因此湮滅時不會產生能量。

量子泡沫，量子漲落


目前為止，反物質已經可以在實驗室中生成，而暗物質、負物質還沒有實驗能夠觀測到。

我想親愛的讀者，現在對反物質、暗物質、負物質應該有個大概的了解了吧。


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    >出品：科普中國製作：北京塞恩奧尼文化傳媒有限公司監製：中國科學院計算機網絡信息中心                      2016年3月10日中國科學院上海光機所強場雷射物理國家重點實驗室利用超強超短雷射，成功產生反物質