宇宙大爆炸時,反物質經歷了什麼?

2020-12-05 天文在線

我們能否憑空創造出某種物質?或者更精確一點,能量能否轉化成物質?答案是肯定的。不過,只有在物質與其對立面--反物質同時出現的情況下,這一想法才能適用。反物質有一點神秘之處:宇宙中,反物質存在量遠遠少於其因有量。

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讓我們從最著名的物理學公式說起:E=mc(質能方程式)。這個公式說明:質量是集中的能量,質量和能量之間可以相互轉化,就像是高匯率的兩種貨幣。90萬億焦耳的能量等於1克的質量。但能量究竟是如何轉化為物質的?秘密在於「能量密度」。如果你把巨大的能量集中到很小的空間內,就會產生新的粒子。如果我們觀察得更仔細一點,就能發現,這些粒子總是成對出現,就像雙胞胎一樣。原因在於,每個粒子都有一個與其相對的粒子—反粒子。粒子和反粒子總是以50比50的比例等量出現。這聽起來像是科幻小說。不過,對於粒子加速器來說,這不過是稀鬆平常的事。

圖解:粒子加速器

在歐洲粒子物理研究所的大型強子對撞機中,兩個質子相撞,每秒能產生幾十億個粒子與反粒子。比如電子,質量極小,且帶負電。電子的反粒子是正電子,其質量與電子相等,但帶正電。除了所帶電荷相反之外,這兩種粒子幾乎一模一樣,並且十分穩定。這一點同樣適用於電子和正電子的近親,即較重的質子和反質子。

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因此,科學家相信,無論從視覺、觸覺還是嗅覺來說,反物質組成的世界與我們的世界一般無二。在這個反物質世界中,存在反水、反金,或者反彈珠。想像一下,將彈珠和反彈珠放在一起,這兩個看似堅固的物體會完全消失,變成一大股能量,相當於一顆原子彈。這是因為,物質與反物質結合會產生巨大的能量。科幻小說經常借鑑用反物質來存儲能量的想法,例如,《星際迷航》中用來驅動飛船的燃料就來源於此。畢竟,反物質儲能是傳統燃料的十億倍。一克反物質所含能量足夠汽車繞地球開上1000圈,或將太空梭送入軌道。

圖解:星際迷航飛船

那麼,我們為什麼不利用反物質來生產能量呢?這是由於,反物質並不會任由我們開採使用。我們必須先創造後使用,而前者所消耗的能量是後者的十億倍。但是,如果反物質存在於外太空某處的反星球上,而某天人類能夠將其開採出來呢?

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幾十年前,許多科學家對這一想法是否存在可能性持肯定態度。而現今,觀察結果顯示,在可見宇宙中,人類並未發現大量反物質。這一事實令人不解,因為就像我前面所說,宇宙中反物質的數量應該和物質數量相當。由於粒子與反粒子數量相等,那理應存在的反物質去哪裡了呢?

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現在,這成了一個實實在在的謎團。想要弄清楚到底發生了些什麼,我們要回到宇宙伊始—大爆炸時期。在宇宙誕生的同時,一股巨大的能量轉化成為質量,那時的宇宙中存在著等量的物質與反物質。僅僅一秒過後,大量物質與所有的反物質相互破壞,產生龐大的輻射。時至今日,人類仍然能觀測到這些輻射。倖存下來的原始物質僅為原來的一億分之一,而反物質則全部消失。

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「等一等,」你可能會問,「為什麼消失的只有反物質,而物質卻留下來了呢?」原因在於,物質與反物質的存在似乎有一點不對稱,因此我們十分幸運。否則,宇宙中既不會存在粒子,也不會存在人類。那麼不對稱的原因是什麼呢?歐洲粒子物理研究所進行的實驗正試圖給出解釋:為什麼某些物質能夠存在,以及為什麼我們存在的宇宙中不是只有輻射。不過,到目前為止,這些問題的答案仍是未知數。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.林陌祺- Jessica Ruby

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