反物质及其研究概况（3）
胡经国
九、相关质疑
1、是否存在反物质
从哲学角度来讲，这个问题很容易回答。中国古代的“太极图”似乎也暗示了它的存在；部分天文学家也认为有存在的可能。但是，现代天文学还拿不出令人信服的反物质存在的证据。而否定反物质存在的人则很多。美国宇宙学家施拉姆（Schramm）说：“大多数理论家的直觉，不存在反物质。这意味着如果你找到它，那是一个伟大的发现，证明这些理论家都是错误的。但是最大的可能是，这意味着你找不到它。”
⑴、由丁肇中主持的研究项目
目前，由丁肇中主持的这项研究已有16个国家的科学家参与其中，投入的资金更是高达1000多亿美元。许多科学家都表示：只要能发现宇宙反物质的存在，那么这将当之无愧地获得诺贝尔奖。该探测器已经于2005年发射升空，并且永久停留在太空。东南大学还将建立一个数据接收分析中心和培训中心作为配套项目。
丁肇中认为，如果反物质确实存在，当正物质与反物质碰撞时可以产生巨大的能量。他现在所主持的“寻找宇宙中的暗物质和反物质”的研究已进行多年，目前已取得一些重要成果。“但是，从这一领域发展的历史来看，人们要有思想准备，也许我们会发现意想不到的东西，与原先想研究的东西毫无关系。”丁肇中很慎重地表示。
⑵、拉普拉斯大预言与黑洞
天体具有巨大的引力；在巨大的引力作用下，会发生各类反应，并且发光发热。物极必反，拉普拉斯（Pierre-Simon；Laplace）曾经大胆预言：宇宙中最大的天体有可能是看不见的。当引力随质量增大时，天体会变成一个一无所有的区域，既不发热，也不发光，现在我们称之为“黑洞”（Black Hole）。
⑶、大引力的存在表明反物质的存在
因此宇宙更多的是由不可见的暗物质或反物质组成的，我们肉眼和天文仪器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙结构，这些物质只占宇宙总体的10%；90%的物质是以暗物质或其他结构形式存在的。显而易见，“对可见物质的巨大引力的存在”表明了“暗物质或反物质的存在”。可是，我们用光无法探测到，用红外线、紫外线和X光都无法探觅到它们的足迹。
⑷、有反宇宙结构体系存在吗？
同样的，对应着现存的星系结构体系，有相反的反宇宙结构体系存在吗？其实早在1898年，一位英国物理学家就提出：与物质存在一样，有一个“镜像对应”的反物质存在。受当时科学水平和试验条件的限制，这个反物质概念没有一点事实依据。因此，在宇宙深处存在由反物质组成的宇宙恒星云，只能属于纯粹意义上的假说。
⑸、“银心反物质喷泉”
1997年科学家宣布发现了“银心反物质喷泉”，极大地震撼了整个物理学界，使科学家们寻找反物质的热情一下子高涨起来。
⑹、寻找宇宙反物质事件
1998年6月3日，由丁肇中教授发起的具有全球意义的寻找宇宙反物质事件，使得这一领域一度成为全球科学家最为关注的焦点。
2、是否存在反物质天体
⑴、问题的提出
粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核；反原核和反电子结合在一起，就能组成反原子。我们的正物质世界有多少种原子，相应地在反物质世界中也能有多少种反原子；而且它们在结构上将是完全没有区别的。延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。如果宇宙中正、反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系就应当存在。因此，这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？
⑵、接收光子
要由观测来分辨远处星系由物质构成或反物质构成并不容易。至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。在原则上，正物质天体若辐射光子，那么同样的反物质天体应当辐射反光子。但是，有余光子是纯中性的粒子，因而光子与反光子是同一种粒子。这样，天文学家通过可见光、射电、X射线或γ 射线观测，在原则上无法区分他的目的物是由物质构成还是由反物质构成。
⑶、接收中微子
恒星和星系除了辐射光子以外，它们还辐射中微子。中微子与反中微子很不一样。如果天文学家能够接收中微子，那么他就能够区分物质天体与反物质天体。可惜，中微子与任何物质的相互作用都很微弱，造一个能接收它们的仪器很困难。今天用这种办法来区分物质天体或反物质天体还办不到。
⑷、太阳和月亮会是由正物质组成的
那么让我们问：与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组成吗？
月亮是离我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。如果月球是由反物质组成的，那么当那位宇航员与月球接触时，湮灭过程早已把他转化为介子了。这一直接证据表明，月亮是正物质天体。
至于太阳，那是人类没有可能登陆的天体。那么，怎么才能知道它不是由反物质组成的呢？太阳表面的气体很热，其中热运动速度较快的原子的速度已经超过了太阳表面的逃逸速度，这就是太阳风的起因。若太阳是反物质恒星，那么太阳风就由反原子组成；它吹到行星上，就会和行星的正原子相互湮灭。于是，由正物质组成的行星会逐渐消失掉；这种消失过程没有发生，就证明了整个太阳系中没有反物质天体。
这样，如果要存在反物质天体，那么它至少应在太阳系之外。
⑸、银河系没有反恒星
1979年，美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到了离地面35公里的高空；在该气球上载有一批十分灵敏的探测仪器。结果，它在高空“猎取”了28个反质子。这是在地球以外第一次发现的反物质。
除此之外，还在星际空间发现了反物质流。
如果把眼光放远到整个银河系，那么要问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中，会有一部分是反恒星吗？今天人们也已经能够肯定地回答：不会有。
我们从地面上能够接收到太空中飞行的宇宙射线。观测统计表明，在宇宙射线粒子中，反质子仅是质子的万分之几；并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的“次级产物”，而不是“原始的”。此外，在宇宙射线中有很少的α 粒子（即氦核）；但是，反α 粒子却一个也没有发现过。这些事实说明，原初的宇宙射线是由正物质组成的。如果银河系中有反物质恒星，那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭。该湮灭产生的“π 0 介子”将很快衰变而成“γ 光子”。因此，这种湮灭过程是能够通过γ 射线的观测来发现的。正是由于没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的“γ 光子”，因而使人们知道，在银河系中并没有反恒星的存在，整个银河系都是由正物质组成的。
⑹、在3000万光年范围内不会有反物质星系存在
我们的宇宙是由大量星系构成的。如果在远处有反物质组成的星系，那么在原则上也能用同样的道理来发现。在星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体。因此，如果既有正物质星系又有反物质星系，那么正、反物质必然会相遇，在相遇之处必然会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的“γ射线”，但是没有找到过。于是得出结论：在3000万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。如果在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以，上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。
⑺、两种不同的看法
在这样的结果面前，人们的看法分成了以下两种：一种看法认为，在宇宙中正、反物质应当是等量的，需要从更远处去寻找反物质星系存在的证据。另一种看法认为，事实已暗示，在宇宙中没有大量的反物质存在，需要从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。
⑻、主流观点：现今整个字宙中不存在或极少存在反物质
主流的观点似乎是：已经在寻找造成今天的宇宙中没有大量的反物质的原因。Omne等曾经讨论过物质及反物质的分离机制。他的结论是，只有在宇宙的早期，例如当年龄t<10^-8秒时，才有可能存在有效的物质及反物质的分离过程。然而，当t<10^-8秒时，宇宙视界中的物质含量小于10^-6MO。这也就是说，当时所形成的分离区的尺度不会大于10^-6MO。这样，为了与现今的观测相符，我们还必须寻找“由小区并合成大区”的机制。如果要求从10^-6MO的小区变成10^15MO的大区，那么这需要10^21个小区并合为一才行。而且，在并合期间又要求物质区只与物质区并合，物质区与反物质区之间很少并合。否则，将明显地改变微波背景辐射以及早期的核素生成。实际上，我们找不到能满足这种奇特要求的并合过程。所以，合理的推论应当是：现今的整个字宙中不存在或极少存在反物质。
⑼、“黑洞”是由物质组成的
另外一个问题是：“黑洞”究竟是由正物质组成呢，还是由反物质组成？很明显，由于事件视界的遮盖，黑洞的物质组成我们无法探究。但是，由于黑洞的形成过程是已知的——大多由“恒星坍缩”而形成，而我们周围的恒星没有由反物质构成的，在黑洞坍缩过程中不存在大规模物质、反物质的变化（由于在坍缩过程中的高能反应会产生少许反物质）。所以可以推断，我们观测到的疑似黑洞的天体是由物质构成的。
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