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宇宙为什么是物质的?

 2002-05-04 11:12 桌面版 正體 打赏 0
在亚原子水平上研究宇宙的科学家们总有一个愿望,就是希望得到更大、功率更强的机器。当他们得到资金实现愿望的时候,现有的、相比较而言较小的机器就变得多余了。斯坦福线性粒子加速器中心的正负电子对撞机(PEP)的命运就是如此,它的地位被新设备取代后,于1990年给关闭了。

1999年5月,经过整修和改装后,它又重新投入使用,并被命名为PEP-II。这次改装使它摇身变成生产B介子的“工厂”。它的新使命是回答一个意义深远、只有物理学家才会问的问题:为什么宇宙是由物质构成的?最近,科学家们给出了部分可能的答案。

这个问题之所以提出来,是因为宇宙中最基本的东西似乎都是成双结对的。特别值得一提的是,构成物质的每一种粒子都有一个相等并相反的反粒子,它们构成反物质。我们知道,如果将一个粒子和一个反粒子放在一起,它们会在能量的爆发中彼此湮灭。但有一点知道的人可能就不多了,那就是相反的过程也可以发生:能量可以自然地转化成某种切实的东西。当这种情况发生时,所产生的物质的每一粒子都会伴有一个相应的反粒子。

根据宇宙大爆发理论,宇宙在创世之后,紧接着就是难以计数的物质----反物质对的巨大能量的冷凝。所以一般人自然而然地会想,早期的宇宙一定含有同等数量的物质与反物质。但是,这种假设会衍生出这样一个问题:当宇宙冷却下来之后,这些粒子最终将会彼此湮灭,然后剩下能量就什么也没有了。幸好,在半个世纪前已经有科学家证明这种想当然的认识是错误的。

它们在镜中的映像事实上并不是大多数人所理解的那样是脸对脸的“镜像”,而是反方向的“脸对背”----这从物理学上讲似乎是不可能的。这种违反宇称性的现象无疑是让理论物理学家感到震动,但从另一角度讲,这其实更是一种收获,是对粒子物理学的丰富。于是物理学家们又将电荷效应融入他们的模型,从理论上用带电宇称性对称理论解决了镜像问题。然而,当研究人员开始用实验来证实这一理论时,他们发现,有什么地方出错了----虽然只是偶尔才有这种情况。错误出在被称为K介子的粒子相互作用上,这种错误暗示着物质和反物质并不是真正对称的,进一步说,就是在宇宙大爆炸之后,物质比反物质多。

一波未平一波又起。就在人们还在讨论K介子的问题时,又有一种理论提出,B介子也能证明存在这种不对称性,甚至比K介子更有说服力。可惜的是,B介子很难用来进行研究,因为它们衰减的速度非常快----通常在它们产生后的1万亿分之1.5秒之内。由于它们实在太“短命”了,如果要对它们进行任何有意义的研究,就必须产生大量的B介子,而且还不能有太多的其它亚原子粒子在里面“捣乱”。在这种情况下,有两队物理学家决定建造特制的能喷射大量B介子的机器。这种机器有别于一般的粒子加速器。粒子加速器产生的是混杂的粒子。

实验表明,B介子和反B介子确实存在不对称性。但让人失望的是,这种不对称性在理论预测的范围之内----也就是说,它不足以代表宇宙中的所有物质。不过,与绘制地图一样,对物质----反物质不对称性的研究需要用三角测量法,必须测量出另外两个角的值才能把问题正确解决。只不过在这里,其中一个角的角度要用复数来表示。但不管怎样,三角形三个角的角度加起来必须是180度。现在科学家正测量另外两个角的角度,如果三个角加起来是180度,则有关的理论就要重新修正了;另外的不对称性源自哪里,进一步说,另外的物质在哪里?这更要让科学家大伤脑筋了。

摘自《世界发明》

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