什么是暗物质 反物质 研究他们对认识宇宙有什么用 他们存在的可能性大吗

什么是暗物质 反物质 研究他们对认识宇宙有什么用 他们存在的可能性大吗
什么是暗物质 反物质 研究他们对认识宇宙有什么用 他们存在的可能性大吗

什么是暗物质 反物质 研究他们对认识宇宙有什么用 他们存在的可能性大吗
暗物质
在宇宙中是否还存在不发光物质、不发光的天体?这似乎是不成问题的问题.例如,在太阳的周围有9大行星,有月亮这类的卫星.这些行星或卫星自身并不发光,它们仅能反射光.其实,所谓发光物质只不过是这种暂时不发光的物质处在高温、高压环境的状态而已.所以,在宇宙中是否存在不发光物质的问题,似乎是这些会发光物质所存在的状态的问题,问题是它们在宇宙中所占有的比重如何?如果把宇宙中存在于不发光状态的常见物质,如质子、中子、电子等占发光状态的比重问题,仅仅归结为在其他星系中是否存在着行星、卫星等,那还不是十分重要的问题.因为9大行星加上可能的彗星,其总质量还不到太阳的1％,更为重要的是处在不发光状态的常见物质,是否在总质量上比发光的星体多一个量级,还是他们只占微不足道的分量,或是彼此差不多,如此等等.因为这涉及天体或星系团演化的基本规律.而更为重要的问题是,宇宙中是否除质子、中子、电子等"会"发光的物质以外,还存在着在原则上就不会发光的物质,或者说,它们自身不仅不能发光,而且也不会反射、折射或散射光,亦即对各种波长的光,它们都是百分之百的透明体!它们就是神秘的暗物质.
许多宇宙论学家认为,宇宙中会有占90％以上暗物质的存在.如果宇宙中存在着那种原则上不能发光的非常见物质的暗物质,那么,宇宙中包含的暗物质的多少,就决定了或至少是影响了宇宙是封闭宇宙还是开放宇宙.所谓封闭式的宇宙,就是指现今的宇宙膨胀达到相当长的一个时间后（例如800亿年）,会由于万有引力使宇宙由膨胀而收缩,这又称为振荡式的宇宙；如果宇宙膨胀速度超过万有引力所引起的阻力,而无限地膨胀下去,这就称为开放式宇宙.可见暗物质对宇宙的影响是非常大的.那么,到底有没有暗物质呢?
尽管暴胀宇宙论对暗物质问题提出了非常有趣的假说,但从天文观测的角度说,这一可能存在有暗物质的假说,只不过是理论学家们的推测,在天文观测上并没有给出坚实的基础.但是,近来,在10米的天文望远镜上进一步观测远河外星云,测出其中的氘核和氢核的丰度的比值比过去所知的数值约大了一倍以上.从这一数值中已经可以确定在星系四周的"晕"中,必定有非常见物质形态形成的暗物质!这是和暴胀宇宙论假定无关的,而仅由天文观测值所直接得出的结论.就是说,宇宙中存在着暗物质,已是确凿无疑的事情.
暗物质存在与否,虽然已经得到初步证实.但暗物质将由什么样的物质所形成?它们是什么样的粒子或是场,或是二者的统一,仍然需要进一步的研究.宇宙论的理论认为,暗物质可能有两种形态,一种称为热暗物质,即在宇宙形成物质世界时期,暗物质的候选者仍然保持其相对论性粒子状态；另一种称为冷暗物质,即在宇宙形成物质世界时期,暗物质的候选者已经是非相对论性的粒子.这两者将在宇宙演化过程中起着不同的作用,但都不能没有.如何探索、寻找和研究已被天文观测所证实的暗物质?这是21世纪科学的又一难题.
反物质
反物质是物质的镜像.物质由原子组成,原子又由质子、中子和电子组成.质子带正电,电子带...通常物质中没有发现过反物质,即使在实验条件下,反质子也一瞬即逝.
当你照镜子时,看一看在镜子中的那个你,如果那个镜子里的家伙真的存在,并出现在你的面前,会怎么样呢?
科学家们已经考虑过这个问题,他们把镜子中的那个你叫做“反你”.他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界,或者说是我们的世界在镜子里的像.它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界.但是反物质是什么,这一切又可能是真实的吗?
对于“反物质是什么”这个问题,并没有恶作剧的意味.反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面,而一般物质就是构成宇宙的主要部分.直到最近,宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的.在1928年,英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）.Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性.Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子.而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在.这些反粒子,顾名思义,是一般物质的镜像.每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量,但是电荷相反.以下是20世纪发现的一些反粒子.
正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子.由CarlAnderson在1932年发现,正电子是反物质存在的第一个证据.反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子.由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子.
反原子——正电子和反质子组合在一起,由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）.共制造了九个反氢原子,每一个的生命只有40纳秒.到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个.当反物质和物质相遇的时候,这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸,放射出纯的射线,这些射线以光速穿过爆炸点.这些产生爆炸的粒子被完全消灭,只留下其它亚原子粒子.物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量.科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多.所以,为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢?建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏.如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质,我们将可能看到围绕我们的这些反应.既然我们的周围并不存在反物质,我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光.
在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的.如上所述,粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了.并且因为开始的时候有更多的粒子存在,所以现在的粒子是所有留下来的那些.今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子.但是,在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源.如果那个地方真的存在,也意味着存在天然的反物质,所以我们将不再需要制造反物质.
但是目前,我们将不得不创造我们自己的反物质.幸运的是,通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的.离子加速器,象CERN,是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道,超磁场可以使原子以接近光速的速度推进.当原子通过加速器出来时,它轰击目标,创造出粒子.这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子.这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子.一毫微克是一克的十亿分之一.所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟.如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现.